Large-scale atomistic simulations of low-energy helium implantation into tungsten single crystals

材料科学 脆化 动力学蒙特卡罗方法 分子动力学 扩散 核聚变 聚变能 化学物理 原子物理学 等离子体 核物理学 蒙特卡罗方法 热力学 物理 冶金 化学 计算化学 统计 数学
作者
Karl D. Hammond,Sophie Blondel,Lin Hu,Dimitrios Maroudas,Brian D. Wirth
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:144: 561-578 被引量:101
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2017.09.061
摘要

Large-scale molecular dynamics simulations of post-implantation helium behavior in plasma-facing tungsten single crystals reveal orientation-dependent depth profiles, surface evolution patterns, and other crystallographic and diffusion-related characteristics of helium behavior in tungsten during the first microsecond. The flux of implanted helium atoms studied, Γ ≈ 4 × 1025 m−2 s−1, is about one order of magnitude larger than that expected in ITER, the experimental fusion reactor currently being constructed in France. With simulation times on the order of 1 μs, these results serve to discover the mechanisms involved in surface evolution as well as to serve as benchmarks for coarse-grained simulations such as kinetic Monte Carlo and continuum-scale drift–reaction–diffusion cluster dynamics simulations. The findings of our large-scale simulations are significant due to diminished finite-size effects and the longer times reached (corresponding to higher fluences). Specifically, our findings are drastically different from findings published previously in the literature for (001) surfaces under a helium flux of Γ ∼ 1028 m−2 s−1, which is typical of smaller size and shorter time atomistic simulations. In particular, this study highlights the atomic-scale materials processes relevant to helium entrapment and transport in metals, which have implications not only for nuclear fusion–relevant processes, but also helium-induced embrittlement in irradiated materials such as hospital equipment and fission reactor materials.

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