Competition mechanism between plasma irradiation and long-time structure relaxation by multi-hybrid simulation

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01882
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: Ito Atsushi 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (10581051)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 動的モンテカルロ法 / 分子動力学 / ハイブリッドシミュレーション / プラズマ－壁相互作用 / プラズマ－物質相互作用

Outline of Final Research Achievements

In the interaction between plasma and materials, it is important to understand the competition between the frequency of plasma particle injection and the time scale of phenomena in the material side. To treat these processes in simulation, we have developed an on-the-fly Kinetic Monte Carlo (KMC) method that can reach long time scales while dealing atoms directly. In particular, in order to treat not only crystal structure but also the irregular structures during structural relaxation, we realized the lattice-free KMC method by using localized molecular dynamics (MD). Finally, the we considered also the finite temperature effects by estimating free energy barrier, and then we demonstrated the disappearance of tungsten nanostructures.

Free Research Field

プラズマ－壁相互作用シミュレーション

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

核融合におけるプラズマ対向材料や耐中性子材料の研究においては，長時間の構造変化を追うためにKMCが度々利用されてきたが，粒子が格子点上だけを移動するという従来の制約のために適用できる問題が限られていた．本研究において格子フリーなKMCを開発し，さらに生体分子シミュレーション等で取り上げられている自由エネルギーの観点を取り込むことで，多くの材料に適用できる手法となった．本研究期間においては核融合研究における貢献としてタングステンの高温時挙動の模擬に注力したが，今後は半導体分野をはじめとする多くのプラズマ－物質相互作用問題や，より一般的な表面・ナノ構造の関わる問題に適用できると期待できる．