EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟
我国等离子体领域成就和专家
我国等离子体领域成就和专家1——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），有“人造太阳”之称，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。
2006年9月28日，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置首轮物理放电实验取得成功，标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。
2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。
2018年11月12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。
2021年5月28日，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。
12月，全超导托卡马克核聚变实验装置度开机运行。
12月30日晚，全超导托卡马克核聚变实验装置实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
2023年4月12日21时，全超导托卡马克核聚变实验装置创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。
专家——吴征威在公共卫生健康领域，他将等离子体技术应用于消毒灭菌，开发出多款康复辅助产品，在解决环境安全、公共卫生、食品保鲜等疑难课题方面取得了显著成绩。
等离子体可以在短时间内杀灭各类细菌、真菌、霉菌等微生物。
利用这一技术，能够高效的形成相对洁净的空间，根据需求快速部署，尤其在自然灾害或重大伤亡事故发生时，此类装备能够在帐篷、车辆、建筑内迅速建立起初级卫生防疫系统。
他主持开发的“便携式等离子体杀菌装置”已形成样机，有望成为一种替代性的物理除菌方法。
此外，他与同事们一起利用等离子体技术对传统的骨科材料进行处理，获得了更安全、生物相容性更好、具有部分自清洁功能的生物医学材料。
熔点与分子动力学模拟-概述说明以及解释
熔点与分子动力学模拟-概述说明以及解释1.引言1.1 概述熔点是指物质在常压下从固态转变成液态的温度，也可以理解为物质的凝固点。
熔点是物质性质的重要指标之一，它可以反映物质的热稳定性、纯度以及晶体结构等方面的信息。
研究熔点对于了解物质的相变规律、性质改变以及制备过程等具有重要意义。
在过去的研究中，人们主要通过实验方法来测定物质的熔点，通过控制样品温度的升降和观察其状态变化来确定熔点的数值。
然而，随着计算机科学的发展和计算能力的提高，分子动力学模拟成为一种重要的工具，可以帮助我们更深入地理解熔点及其相关问题。
分子动力学模拟是一种基于牛顿力学原理和数值计算方法的计算模拟技术，通过对系统中个体分子的运动轨迹进行数值模拟，可以模拟和研究物质的宏观性质和微观行为。
通过分子动力学模拟，我们可以了解物质在不同温度、压力和组成条件下的相变行为，进而预测和解释物质的熔点、固态结构和热力学性质等。
分子动力学模拟在研究熔点领域具有广泛的应用。
通过模拟熔融态分子的相互作用、动力学行为和结构演化，我们可以深入研究不同材料的熔点特性，揭示熔点的微观机制和影响因素。
同时，分子动力学模拟还可以通过计算物质的结晶能障和熔化能量等参数，来预测和优化材料的熔点。
总之，熔点及其相关问题是物质科学与化学领域中一个具有重要研究价值的方向。
通过分子动力学模拟，我们能够更深入地理解熔点的本质和机制，为研究和应用材料的熔化特性提供理论依据和技术支持。
未来的发展方向是进一步提高分子动力学模拟的计算精度和模拟速度，开展多尺度的研究，探索更多具有实际应用价值的熔点相关问题。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下几点：本文总共分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要是对熔点和分子动力学模拟这两个关键概念进行概述和简要介绍。
这两个概念在材料科学和物理化学领域中具有重要意义，并且它们之间存在一定的关联。
同时，本部分还要介绍本文的结构，即正文和结论部分的内容概要。
EAST装置冷却过程设计及分析研究的开题报告
EAST装置冷却过程设计及分析研究的开题报告1. 研究背景EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是中国自主研发的一台超导托卡马克核聚变实验装置，是世界上第一台采用综合双环真空室和超导实验技术的大型核聚变实验装置之一，其服务于我国核聚变研究和人类掌握核聚变能源的实现。
在EAST的操作过程中，由于大量的吸氦泵和超导磁体系统的存在，装置整体需要消耗大量的电能，因此冷却系统的设计是十分关键的。
2. 研究目的本研究旨在设计和分析EAST装置的冷却系统，以确保其能够在安全、高效的工作状态下运行。
具体目标如下：（1）设计EAST装置的冷却系统，包括吸氦泵、超导磁体等的冷却系统；（2）对EAST冷却系统的传热机理进行研究和分析；（3）通过分析和计算，优化冷却系统的设计，提高其效率和可靠性。
3. 研究内容（1）EAST装置冷却系统的设计通过对EAST装置的结构和工作原理进行分析，确定吸氦泵、超导磁体等的冷却系统的设计参数，包括冷却介质、流量、压力等方面。
（2）传热机理的研究和分析对EAST装置冷却系统的传热机理进行深入的研究和分析，包括传热方式、传热系数、传热表面等方面，以确保冷却系统具备良好的传热性能。
（3）优化冷却系统的设计通过计算和模拟，对EAST装置冷却系统进行优化，包括冷却系统参数的调整、流动动力学模拟等方面，以提高冷却系统的效率和可靠性。
4. 研究方法（1）文献调查法通过查阅相关文献，了解EAST装置的结构和工作原理，以及冷却系统设计的基本原则和方法，为后续的研究提供理论基础和参考。
（2）数值计算法通过建立相关的数学模型，利用数值计算软件对EAST装置冷却系统进行计算与分析，包括流动、传热等方面，以实现优化冷却系统设计的目的。
（3）实验研究法通过对EAST装置实际运行过程的监测和实验数据的分析，验证数值计算模型的准确性和可靠性。
5. 研究意义本研究将为EAST装置的冷却系统设计和研究提供参考和指导，有利于提高EAST装置的效率和可靠性，为我国核聚变研究和核能技术应用的发展做出贡献。
EAST电子回旋共振加热效果的数值模拟和分析
效果。本文针对ＥＡＳＴ装置的典型放 电参数 ，利用 综合性输运程序ＣＲＯＮＯＳ对不 同参数下 的电子 回 旋 加热效 果进 行 了一 系列 的计 算分 析研 究 。
２ ＥＡＳＴ ＥＣＲＨ系统 主 要 参 数
ＥＡＳＴ是 具 有 非 圆 截 面 的 全 超 导 托 卡 马 克 装
置 ，其典型的等离子体参数为Ｒ＝Ｉ．８５ｍ、ａ＝０．４５ｍ、
子和动量随时间的演化 。计算的区域从最外闭合磁
面（ＬＣＦＳ）￣Ｏ等离子体中心。ＣＲＯＮＯＳ程序 中对 电子
收 稿 日期 ：２０１７—０４—０６；修 订 日期 ：２０１７—１２—２７ 基金项 目：国家磁 约束核 聚变能发 展研 究专项（２０１５ＧＢ１０２０００，２０１５ＧＢ１０２００３）；国家 自然科学基金（１１３０５２１１，１１６７５２１４， １ １ ７７５２５９）；中央高校基本科研业务 费专 项（ＪＺ２０ １ ５ＨＧＢＺ０４７２） 作者简介 ：韦维（１９７９一），女 ，广西宜州人 ，博士 ，讲师 ，从事等离子体物理及射频波加热和 电流驱动研究 。
旋 管 ，每 支 回旋管 的输 出功 率为 １ＭＷ ，４ＭＷ的微
波功率通过弱场侧水平窗 口注入等离子体 。 ＣＲＯＮＯＳ【９］是 法 国 原 子 能 委 员 会／磁 约 束 核 聚
变 研 究所 （ＣＥＡ—ＩＲＦＭ）开发 的综 合性 输 运 程 序 。它
的核心是求解输运方程 ，计算包括 电流 、温度 、粒
第 ３８卷 第 ２期 ２ ０ １ ８年 ６月
核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理
Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｙｓｉｃｓ
文章编号 ：０２５４－６０８６（２０１８）０２－０１４４－０８ ＤＯＩ：１０．１６５６８８．０２５４．６０８６．２０１８０２００４
入射能量对H2 +与SiC表面相互作用影响的分子动力学模拟
摘 要 ：用分子动力学方法研究了入射能 量对 Ｈ ￣ ＳＣ样品表面相互作用的影响。模拟结果表明 ，在 Ｈ ２与 ｉ 轰击 ＳＣ样品表面的初始阶段 ，样品中 Ｈ原子的滞留量增加较快 ，其后 ，增加的速率减慢 ，并逐渐趋于饱和 。 ｉ 入射能 量越大 ，样品中 Ｈ原子的滞 留量也就越大 。样品在 Ｈ２ 的轰击下 ，样品 Ｓ 、 ｉ Ｃ原子会发生刻蚀。入射能量
越大 ，ｓ 和 Ｃ原子 的刻蚀量越 大。在相同入射能量下 ，ｓ 原子的刻蚀量大于 Ｃ原子。生成的产物中 ，以 Ｈ，Ｈ， ｉ ｉ
和 ｓ｝ 为主 ；产物 Ｈ 的量随着能量的增加而减小。其他产物随着入射能量 的增加而增加。 ｉ４ ｛ ２ 关键词 ：分子动 力学 ；入射能量；滞留 Ｈ原子 ；刻蚀
中 图分 类 号 ：Ｔ ６ Ｌ ２７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
中掺杂 ｓ 能有效地提高面向等离子体材料的寿命。 ｉ
本 文 将 用 分 子 动 力 学 的方 法 模 拟入 射 能 量对
Ｈ Ｓ 样品表面相互作用的影响，从而了解它 ２ 与 ｉ Ｃ
们之 问的 相 互 作 用机 制 以及 入射 能 量对 作 用 过程 的影 响 。
确定性使得提高面向等离子体材料的性能和使用 寿命变得困难 ， 影响了核聚变装置的研究进展【 】 Ｉ 。 ’
的溅射 ， 并且 ｃ的化 学溅射 量最 小 。即 ， Ｃ材料 在
能会形成易挥发的化合物（ 、 ｉ 、 ｉ ￣ ： 删。 ｃ Ｓ Ｓ ＣＨ） ｘ， 如果这些化合物进入等离子体中， 会污染等子体。 在 目前情况下， 用实验的方法获得等离子体与壁材
料 的相互作 用的微观机 制 比较 困难 。作 用机制 的不
１ 引言
聚变装置 中面向等离子体材料处在极端 的辐
等离子体lammps分子动力学固氮
等离子体lammps分子动力学固氮等离子体在物理学和化学领域中具有广泛的应用，其中之一就是固氮。
固氮是一种重要的化学反应，可以将空气中的氮气转化为可用于植物生长的氨化合物。
在过去的几十年中，科学家们一直在寻找更高效、更环保的固氮方法。
最近，等离子体lammps分子动力学在固氮领域取得了一些令人振奋的进展。
Lammps是一种分子动力学模拟软件，可以用于模拟和研究原子、分子和离子之间的相互作用。
通过使用Lammps，科学家们可以模拟等离子体条件下的固氮过程，并研究其中的物理和化学机制。
在等离子体lammps分子动力学模拟中，首先需要建立一个包含氮气和反应物的初始系统。
通过设置适当的参数和初始条件，可以模拟出等离子体环境下的固氮反应。
然后，使用Lammps的计算功能，可以计算出系统中各个粒子的位置、速度和能量等信息。
通过模拟和计算，科学家们可以研究固氮反应的动力学过程。
他们可以观察到氮气分子在等离子体场中的行为，了解其与反应物之间的相互作用。
他们还可以研究等离子体场对反应速率的影响，并探索如何优化固氮过程。
等离子体lammps分子动力学模拟还可以帮助科学家们预测和设计新的固氮催化剂。
通过模拟不同材料的性质和反应活性，他们可以筛选出最有效的催化剂，并进一步优化其性能。
此外，等离子体lammps分子动力学模拟还可以帮助科学家们解释实验观测到的现象。
通过对实验数据和模拟结果进行比较，他们可以验证模拟方法的准确性，并进一步改进模型。
总之，等离子体lammps分子动力学在固氮领域具有巨大的潜力。
通过模拟和计算，科学家们可以深入了解固氮反应的机制，并为实验设计和催化剂开发提供指导。
相信在不久的将来，等离子体lammps分子动力学将在固氮领域发挥更加重要的作用。
流体-等离子体化学模型
流体-等离子体化学模型
流体-等离子体化学模型是一种数学模型，用于描述等离子体与流体之间的相互作用和化学反应过程，应用于等离子体材料加工与应用等领域。
该模型通常包含两个部分：流体方程和等离子体方程。
1. 流体方程：
流体方程通常用于描述气体和液体的运动和变形。
它包括了质量、动量、能量等守恒方程，并加入了液体和气体特有的参数，如密度、速度、温度等。
这些方程通常用来模拟物体与流体之间的相互作用。
2. 等离子体方程：
等离子体方程用于描述等离子体的行为和化学反应过程。
等离子体方程通常包括能量守恒方程、扩散方程、辐射传输方程等。
在等离子体模型的框架下，电子与原子分子之间的化学反应及其能量转移可以用不同的数学模型进行描述。
这种模型有着广泛的应用，如在太阳物理学、等离子体冶金、半导体加工和空气动力学等领域。
通过使用流体-等离子体化学模型，可以在不同情况下精确地模拟等离子体和流体之间的相互作用、相变过程和化学反应，并对这些过程进行预测和优化，以实现组分选择，设备设计，工艺控制等应用。
等离子体lammps分子动力学固氮
等离子体lammps分子动力学固氮（原创实用版）目录1.等离子体与 LAMMPS 简介2.分子动力学在固氮研究中的应用3.等离子体 LAMMPS 分子动力学固氮的优势与挑战正文1.等离子体与 LAMMPS 简介等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的物质形态，广泛存在于宇宙中。
在等离子体中，电子和离子之间存在电磁相互作用，使其具有一定的导电性和磁性。
等离子体在许多领域具有潜在的应用价值，如材料科学、能源和环境等。
LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）是一款在大规模并行计算机上模拟原子/分子系统的开源软件。
它通过分子动力学方法模拟材料的微观结构和性质，为材料科学、纳米技术等领域的研究提供了有力支持。
2.分子动力学在固氮研究中的应用分子动力学是一种基于统计力学的计算方法，可以模拟系统中分子的热运动，从而揭示分子之间的相互作用和动力学行为。
在固氮研究中，分子动力学主要应用于模拟氮分子在特定环境下的吸附、扩散和转化等过程，以揭示固氮机理和优化固氮催化剂。
3.等离子体 LAMMPS 分子动力学固氮的优势与挑战等离子体 LAMMPS 分子动力学固氮结合了等离子体的导电性和分子动力学的模拟能力，为固氮研究提供了新的研究手段。
其优势主要表现在：（1）模拟效率高：等离子体 LAMMPS 分子动力学固氮可以在大规模并行计算机上运行，显著提高模拟效率。
（2）模拟精度高：LAMMPS 软件具有高度优化的算法和参数设置，能够较为准确地模拟固氮过程中的物理和化学现象。
然而，等离子体 LAMMPS 分子动力学固氮也面临一些挑战，如：（1）系统复杂性：固氮过程涉及多种气体分子和催化剂之间的相互作用，模拟系统的复杂性较高，需要优化算法以提高计算效率。
（2）理论模型的局限性：分子动力学模拟依赖于分子间相互作用力的计算，而这些相互作用力的理论模型可能存在局限性，导致模拟结果的误差。
核聚变堆面向等离子体钨基材料氢氦效应的第一性原理研究
核聚变堆面向等离子体钨基材料氢氦效应的第一性原理研究刘长松;吴学邦;尤玉伟;孔祥山【摘要】钨基材料以其高熔点、高导热率、良好的抗中子辐照和抗溅射腐蚀等优异性能,被视为未来核聚变装置中最有前景的面向等离子材料.在聚变服役环境下,14MeV的高能中子以及低能氢/氦粒子流对钨基材料造成严重的辐照损伤.研究材料的辐照损伤与氢氦效应机理对揭示辐照引起材料微观结构与性能的变化以及探索开发新型抗辐照材料具有重要的意义.近年来,随着计算模拟技术的发展,多尺度模拟方法在聚变堆材料辐照损伤与氢氦效应机理研究方面有着广泛的应用.本文主要结合作者近几年的研究实践,介绍了第一性原理方法在钨中氢氦效应机理方面的一些进展,揭示了钨中基于空位和杂质的氢/氦泡级联成长机制,建立了过渡族合金元素与辐照点缺陷以及与氢/氦相互作用数据库,从而为高性能钨基材料合金化元素的筛选及其制备实践提供理论指导.【期刊名称】《安徽师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(039)004【总页数】8页(P307-314)【关键词】面向等离子体材料;钨;氢氦效应;辐照损伤;第一性原理【作者】刘长松;吴学邦;尤玉伟;孔祥山【作者单位】中国科学院固体物理研究所,中国科学院材料物理重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院固体物理研究所,中国科学院材料物理重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院固体物理研究所,中国科学院材料物理重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院固体物理研究所,中国科学院材料物理重点实验室,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】O539引言随着传统化石能源的逐渐枯竭以及人类对能源需求的不断增长，能源问题已成为人类生存与发展的重大问题之一.核聚变能被认为是可以最终解决人类能源问题的重要途径之一.利用强磁场约束高温等离子体的托卡马克(Tokamak)是最有希望实现受控热核聚变反应的装置[1].由于其技术复杂和条件苛刻，磁约束托卡马克装置仍面临一些急需解决的关键问题.其中，聚变堆材料问题，尤其是面向等离子体材料(PFMs)，是制约托卡马克装置性能及其发展的关键问题之一[2].PFMs作为直接面对高温等离子体的第一壁、偏滤器等的护甲材料，其工作环境极其苛刻，遭受着高温、高热负荷、强束流粒子与中子辐照等综合作用.研究表明国际热核聚变实验堆(ITER)偏滤器要承受极高的热流(10-20MW/m2)，以及强束流(1022-1024m-2s-1)和低能(<100 eV)离子流的辐照[3].钨(W)以其高熔点、低溅射率和高热导率等优点而被视为未来聚变堆中最有前景的PFM[4-5].ITER和中国东方超环(EAST，中科院等离子体物理研究所)装置中已经使用纯钨作为偏滤器材料.然而，在聚变服役过程中，高能中子将对钨基材料造成严重辐照损伤，导致材料中产生大量的辐照缺陷(如空位和自间隙原子)以及由嬗变反应而产生的大量氢、氦等轻元素，进而对材料的结构与性能造成严重影响.此外，在强束低能氢/氦离子流辐照下，钨基材料的结构也会发生显著变化，如氢/氦聚集引起的起泡、肿胀、硬化、脆化等，导致PFM失效，威胁聚变堆的安全运行[4-5].大量实验研究表明，无论单晶钨还是多晶钨，在氢等离子体辐照下，材料表面都会发生起泡.甚至在低能辐照下，即入射离子的能量远低于它们打出一个空位所需的最低能量时，钨表面仍然产生起泡[6].相比于氢离子，氦离子对材料的辐照损伤更加严重.在氦离子辐照下材料表面出现的纳米丝状结构(文献上称之为Fuzz)会严重影响材料表面的物理和化学性质如热导率、机械性能等[7].近年来，研究发现钨纳米丝的形成与氦泡的融合长大和迁移相关[8].在低能氦离子辐照下，钨表面同样也观察到气泡[9].在氢氦离子和中子协同辐照下，材料的损伤比单一损伤更为严重，且发现钨中氦的沉积深度约为100?，而氢的沉积深度达几个微米[10].然而，关于钨中氢氦气泡的成核和长大、氢氦不同的沉积深度以及氢氦协同效应等微观机理，目前人们尚不清楚.在聚变服役工况条件下，材料同时受到高剂量离位损伤、氢氦效应以及嬗变效应的共同作用.因此，材料的辐照损伤效应是一个极其复杂的过程.材料的微观组织、结构缺陷、辐照剂量、氢/氦聚集、外加温度等多种因素共同决定材料的结构和宏观力学性能.单纯依赖现有的实验方法和检测技术，尚难以系统而全面地认识材料微观结构与宏观性能之间的内在联系，特别是实验上难以直接跟踪和探测原子尺度下缺陷的演化行为.借助现代先进的计算模拟技术来研究材料的辐照损伤微观机理已经成为另外一条重要的途径.多尺度模拟技术已广泛应用于钨基材料的相关研究中[11-13].其中：原子尺度的第一性原理方法研究材料中点缺陷/杂质原子的形成能、扩散路径与激活能、复合团簇的稳定性、聚集和解离行为、缺陷与界面间相互作用等性质；微观尺度的分子动力学模拟初级离位损伤的产生、级联位移过程、点缺陷的迁移和团聚、缺陷团簇的稳定性和迁移率、杂质/缺陷与位错/晶界之间的相互作用等；微观和介观尺度的蒙特卡洛方法和速率理论方法研究缺陷和位错的扩散、氢/氦杂质的长时间迁移、微结构的演化等；介观尺度的三维位错动力学方法研究材料微结构与宏观力学性能的对应关系；宏观尺度的连续介质力学和有限元等方法评估聚变堆各功能模块在实际运行环境中的表现.近年来，基于密度泛函理论的第一性原理方法已经成为材料辐照损伤机理研究的有力工具，其最大的特点是从最基本的热力学原理出发，以计算量子力学为手段，对体系能量、晶体结构、电子结构等进行无参数的精确计算.其计算过程不需要引入任何经验型参数，计算结构依靠能量准则或原子间力收敛准则.结合合理的物理和热力学模型，则可对材料的宏观物理与化学性质进行直接的理论预测[14].在模拟材料辐照损伤的微观物理机制，特别是杂质、空位、自缺陷原子之间及其与晶格之间的相互作用方面，第一性原理计算可以发挥很大的作用[12-13].例如：法国原子能委员会萨克莱研究所的Fu和Willaime等人系统研究了氦在α-Fe晶格中的溶解与扩散行为，获得了氦原子的最稳定间隙位、结合能、扩散路径和势垒等一系列重要参数，并进一步考虑了氦与空位团簇、自间隙原子的相互作用，考察了氦-空位复合团簇的稳定性规律，其理论结果能够很好地解释实验上氦的热脱附谱结果[15].北京航空航天大学吕广宏课题组系统研究了钨单晶和晶界中氢/氦行为，提出氢泡成核长大的空位捕获机制和应变诱导级联机制[16-17].本文主要介绍近年来我们课题组利用第一性原理方法研究钨中氢氦行为的一些进展，如钨中氢氦气泡的成核长大机制、氢溶解与扩散性质、合金元素-辐照缺陷-氢/氦之间相互作用等，来阐述第一性原理模拟技术在钨基材料辐照损伤研究中的重要作用.由于氢氦气泡的形成对金属材料的微结构与力学性能造成严重影响，因此，金属中氢氦气泡的形成机制是一个非常重要的研究课题.目前，关于氢氦气泡的成核与生长机制仍然不清楚.一般来说，气泡的形成需要存在一个过饱和区域，即成核点.金属材料中的固有缺陷(合金元素、杂质等)以及辐照缺陷(空位与自间隙)都可以作为其成核点.针对金属中氢氦气泡的成核和生长机制，目前大量的研究工作都集中在氢/氦与空位的相互作用上，而很少关注空位-氢或空位-氦团簇近邻钨原子的稳定性.人们发现钨中单空位最多可容纳氢原子的个数大约为10-12个[18]，而这些氢原子相对于氢气泡而言氢含量非常小.要想达到实验观察到的氢气泡，需要进一步认识从空位捕获氢原子到氢气泡形成长大的过程.基于第一性原理方法我们研究了钨中空位团簇的形成能力.图1是钨中两个空位之间的结合能随两者之间距离的变化关系曲线.由图可见，空位与空位之间是排斥作用，且空位之间的作用距离是7.5?.这表明空位之间很难自发聚集长大.此外，我们还研究了钨中单空位对氢/氦原子的捕获能力.研究发现单个钨空位可容纳12个氢原子.相比于氢，氦在钨空位中的捕获能更低，且单空位中可容纳14个氦原子，这意味着它更容易在单空位中聚集.虽然单空位中氢/氦很难聚集成泡，然而空位-氢和空位-氦复合体(Vac-Hn和Vac-Hen)则可能产生超量空位，从而导致氢/氦原子的聚集成核与长大.图2是钨中Vac-Hn和Vac-Hen复合体的近邻空位形成能随空位中氢氦原子数目之间的变化关系.由图可见，单空位中不含氢/氦时，其第一和第二近邻空位形成能分别为3.16eV和3.52eV.这表示单空位很难自发长大形成空位团簇或更大的空洞.然而，随着空位中氢/氦原子数目的增加，Vac-Hn和Vac-Hen 复合体的第一和第二近邻空位形成能逐渐下降.当n增加到9和4时，Vac-Hn和Vac-Hen复合体的第一和第二近邻空位形成能分别下降至负值.近邻空位形成能的急剧降低意味着复合体周围的空位格点极不稳定，易产生一个新空位从而演化成双空位-氢或双空位-氦复合体.该复合体可以继续捕获氢/氦原子导致三空位的产生.这样空位复合体进一步长大，而长大后的复合体再捕获氢/氦原子，复合体再长大再捕获，直至氢/氦气泡的形成.因此，氢/氮原子可以通过空位“捕获→长大→再捕获→再长大→…”的级联机制长大成泡.由于间隙氢/氦原子可以降低其近邻空位的形成能，因此上述机制可以定性解释实验上观察到的在低能氘/氦离子辐照下，钨表面仍然产生气泡的现象.此外，我们还研究了钨中主要间隙杂质原子(氧、碳和氮)对氢泡成核的影响[19].图3是钨中Vac-Hn复合体和Vac-LE-Hn复合体的缺陷形成能(LE为间隙杂质原子).由图可见，当n≤4时，Vac-LE-Hn复合体的形成能基本不变；当n>4时，复合体形成能随捕获H原子个数的增加而快速增大.特别对于Vac-O-Hn复合体，其缺陷形成能都小于空位形成能，且降低幅度较大，最小值为0.45eV.这些结果表明，空位中的间隙杂质原子能显著增加整个缺陷的热稳定性，这意味着其热平衡浓度增加.例如，钨中氢原子引入后，可以使体系中整体的空位浓度从10-54提高到10-39.但是氧和氮原子可以使空位浓度再次增大，特别是氧原子可以使空位浓度增大到10-7.由此可知，间隙杂质原子的引入能显著增加空位浓度，使得氢捕获点增多，从而增大氢滞留量.因此，杂质可以进一步促进空位诱捕氢/氦原子的能力，最终形成氢/氦泡.钨中氢同位素滞留问题是面向等离子材料研究领域的热点之一.氢滞留会引起材料的氢脆、起泡、肿胀等问题，导致PFM失效.同时，氚价格昂贵且具有放射性，大量滞留在PFM 中还会造成燃料的损失和对周围环境潜在的放射性危害.因此研究钨中氢滞留行为并寻找有效抑制氢滞留的方法对实现可控热核聚变具有重要意义.为了研究钨中的氢滞留行为，首先需要了解钨中氢溶解和扩散性质.溶解度和扩散系数作为两个最基本的物理参数，它决定了氢在钨中的溶解系数和复合系数.关于钨中氢的溶解度，目前实验数据较少，且由此得到的激活能数据相差较大(变化区间为0.03-1.04eV)[20-23].此外，钨中氢的扩散系数实验数据也十分有限.基于氢脱气与渗透实验，人们获得了钨中较高温度区间(850-2500K)氢的扩散系数[20,22,24-26].近年来，基于氚示踪技术，研究人员获得了较低温度区间(298-673K)氢的扩散系数[23,27-29].目前，虽然人们已经获得了一些氢溶解度和扩散系数的实验数据，但是由于所用实验方法的不同，所获得的溶解能与扩散激活能数据往往差别很大.此外，由于钨中氢溶解度较低且表面捕获效应严重，这使得实验上很难精准地测量其扩散系数，特别是低温端数据.基于第一性原理方法，我们研究了钨中氢的扩散和溶解性质，并采用准简谐近似方法考察了温度对其影响规律[30].图4是钨中氢的溶解能和扩散激活能随温度的变化关系图.由图4(b)可见，随着温度的升高，位于四面体和八面体位置的氢溶解能逐渐降低，这表明氢的溶解随温度的上升变得更加容易.相对于八面体位置，四面体位置氢的溶解能更低；且随温度升高，其降低速率快于八面体位置.这意味着随着温度的升高，四面体位置的氢更加稳定.由图4(c)可见，钨中氢的两个扩散路径(路径1：四面体间隙跃迁到第一近邻四面体位置；路径2：四面体间隙跃迁到第二近邻四面体位置)的扩散激活能随温度的升高逐渐增大.相比路径2，路径1的激活能要小，且在高温下两者的差值越来越大.这表明随着温度的升高，钨中氢在近邻四面体间隙之间的扩散所需能量值逐渐增加，且路径1为氢的优先扩散路径. 基于Sievert定律我们计算出300-2700K温度范围内氢的溶解度，如图5(a)所示.由图可见，氢的溶解度与温度的依赖关系近似遵从Arrhenius关系式.拟合得到的指数前因子和激活能分别是9.9×10-3和1.25eV，与Frauenfelder的实验结果几乎一致[20].然而，计算得到的氢溶解度数值相对于Benamati的实验结果(850-885K)则要低3个数量级[24].这表明该温度范围内材料中的缺陷如空位、位错和晶界可能对氢滞留量起主导作用.此外，基于Wert-Zener模型和过渡态理论我们也计算出300-2700K内氢的扩散系数，如图5(b)所示.通过考虑温度效应并基于随温度变化的激活能数值，计算所获得的扩散系数在高温侧(>1500 K)与Frauenfelder等人的实验值一致[20].这表明通过计算模拟，人们可以准确描述钨中间隙氢的扩散性质.然而，在低温测(<1500K)，计算值明显要高于实验值，且不同的实验数据之间存在很大差异.这些结果表明低温下氢的扩散很大程度上受到缺陷捕获效应的影响，即低温下空位、位错和晶界等缺陷通过捕获氢、阻滞氢的扩散进而降低氢的扩散系数.因此，我们对低温端氢的扩散系数进行缺陷捕获效应的修正.基于氢的热脱附谱实验结果，我们主要考虑两种类型的缺陷：一类是溶质、位错、界面等，它们可作为氢的弱捕获点，捕获能约为0.5eV；另一类是空位等，它可作为氢的强捕获点，捕获能约为1.3eV.有意义的是，由弱捕获效应修正后的氢扩散系数与300-600K范围内的实验数据一致；而强捕获效应修正后的扩散系数与800-1200K范围内的实验数据一致，如图5(b)所示.这些结果充分表明材料中的缺陷如杂质、空位等严重影响氢在300-1200K温度区间的扩散行为.合金化被认为是提高钨基材料性能的一种重要途径，同时钨在中子辐照下会嬗变一些新元素如铼、锇等.这些合金/嬗变元素不可避免地要与辐照缺陷、氢/氦等之间相互作用，影响它们的聚集与扩散性质，进而改变材料的性能.因此，研究合金/嬗变元素与辐照缺陷以及与氢氦之间的相互作用显得尤为重要.在中子辐照下，材料中主要产生空位型和间隙型两类辐照缺陷.这些缺陷会向捕获阱(位错、晶界、表面等)处扩散、聚集，进而复合.然而，钨中空位的扩散系数要远远小于间隙扩散系数，这样导致间隙型缺陷会迅速扩散到捕获阱中，从而聚集形成间隙位错环、表面疤等；同时大量的空位在材料内部滞留聚集成空洞.基于第一性原理，我们首先研究了过渡族合金元素(3d:Ti-Cu，4d：Zr-Ag，5d:Hf-Au)在钨中的溶解性质[31].研究结果表明周期表中IVB、VB和VIB 族元素不倾向于在钨块体内聚集；而VIIB、VIII、IB和IIB 族元素倾向于在块体内聚集，形成团簇.通过研究钨中过渡族元素与空位及与自间隙原子之间的结合能，我们发现过渡族合金元素与钨中的空位和自间隙<111>挤列子之间大都相互吸引，且过渡族元素与空位的结合能远小于其与间隙原子之间的结合能[31].由此，我们推测过渡金属合金原子能够通过与空位协同扩散的方式，促进空位扩散，同时也能钉扎间隙型缺陷，阻碍间隙扩散.因此，合金元素可以缩小空位和间隙之间的扩散系数差异，提高缺陷复合几率，降低辐照缺陷浓度，从而提高材料的抗辐照性能.在研究合金元素与点缺陷相互作用规律过程中，我们发现具有较大电负性的溶质原子倾向与空位结合，而具有较小金属半径的溶质原子倾向与自间隙结合.电子相互作用在溶质原子与空位相互作用中起主导因素；而弹性相互作用控制着溶质原子与自间隙间的相互作用.此外，计算获得的合金元素与点缺陷相互作用数据库，主要包括多种缺陷簇的稳态亚稳态缺陷构型及其能量学基本参数(形成能、结合能、作用半径等)和动力学基本参数(扩散机制、扩散激活能以及扩散系数等)，可作为更高时间和空间尺度计算模拟的输入参数(如蒙特卡洛，速率理论等).基于第一性原理方法，我们研究了过渡族合金元素对钨中氢/氦的溶解和扩散性质的影响[32-34].图6是钨中过渡族元素与氢/氦之间的结合能.由图可见，除了Re 和Os两种元素外，其它合金元素与氢/氦之间的结合能都为正值，这表明合金元素与氢/氦之间是相互吸引的.此外，对于3d、4d和5d族元素，随着原子序数的增加，它们与氢/氦之间的结合能都展现出相同的“波浪型”变化趋势.整体上，合金元素与氦之间的结合能远大于其与氢的结合能，且3d族元素与氢/氦结合能大于4d和5d族元素.这表明合金元素对氦的捕获效应更强；相对于4d和5d族元素，3d族元素对氢/氦具有更强的捕获效应.此外，我们还探讨了钨中常见合金元素Re、Os、Ta、Ti、V和Hf对氢扩散行为的影响.图7是纯钨以及常见钨合金中氢扩散系数随温度的变化关系图[34]，合金元素浓度设为104appm.由图可见，Re和Os对氢扩散没有明显影响，Ta略微降低氢的扩散系数，而Ti、V和Hf会显著降低氢的扩散系数.因此，一方面，合金元素可作为氢的捕获点，降低体系中氢的扩散系数，导致氢滞留量增大.另一方面，合金元素能缩小钨中空位与自间隙之间的扩散系数差别，提高缺陷的复合概率，降低缺陷密度，进而减小氢滞留量.该理论结果可以很好解释近期的一些实验现象.在W-Ta合金的氘滞留实验中，人们发现在低能低离子通量的氘等离子辐照下，W-Ta合金中的氘滞留量远大于纯W体系[35]；而在低能高离子通量辐照下，W-Ta合金中的氘滞留量则远小于纯W体系[36].这是因为，在低离子通量辐照下，材料中固有缺陷对氘的滞留量起主导作用.由于合金元素Ta可作为氘的捕获点，因此合金元素的引入会使得材料中氘捕获点的增多，导致氘滞留量的增加.然而，在高离子通量辐照下，材料中辐照缺陷浓度远大于固有缺陷.这时，辐照缺陷对氘的滞留量起主导作用，而Ta的引入能够降低材料中的辐照缺陷浓度，使得合金中氘滞留量低于纯钨.为了揭示钨中合金元素与氦之间相互作用的内在本质，我们考察了合金元素与氦的结合能与其电子结构之间的关联性.图8是钨中替代位合金元素与He的结合能随相对电荷密度之间的变化关系图[32-33].由图可见，合金原子与He之间的结合能正比于He原子所在位置的电荷密度，即He更易在电荷密度较低处聚集.此外，还发现Re、Ta、Mo、Nb、Os与Tc等元素与氦之间结合能的数值较低，这表明这些元素对氦的捕获效应比较弱.扩散计算表明Re/Ta处He的迁移与扩散行为几乎不受影响；而Os，Ti和V对He有明显的捕获作用，阻碍氦的扩散.综合分析钨中合金元素与氢/氦之间相互作用，我们认为相对于其他元素，Re和Ta更合适作为钨的潜在合金元素，且Ta的引入可以调节中子辐照下钨基材料中Re和Os的浓度.必须指出，上述理论计算结果对高性能钨合金的设计提供了新思路，但是，还需要精确设计实验来考察合金材料在聚变环境下的服役性能，从而确保材料具有良好的力学与抗辐照性能.近十多年来，随着并行计算科学与技术的迅速发展，第一性原理计算方法已经成为核聚变堆中等离子体与壁材料相互作用研究领域的一个可靠的理论手段，它可准确描述材料在辐照下产生的纳米量级缺陷的结构，辐照缺陷或缺陷团簇之间的短程相互作用，以及它们的迁移路径，而实验上很难探测该尺度下材料中辐照缺陷的结构及其演化行为.通过研究与评估材料辐照损伤行为，第一性原理方法往往能揭示出材料在不同温度与辐照剂量下的损伤机制.本文主要结合作者近几年的研究实践，简要介绍了第一性原理方法在钨中氢氦气泡的成核长大机制、氢溶解与扩散性质以及合金元素-辐照缺陷-氢/氦之间相互作用等方面的一些进展.然而，第一性原理方法也存在一些不足：1)模拟体系较小，通常只有100-200个原子.2)无法考察温度效应，目前大部分第一性原理计算都是在0 K下模拟的，需要发展合适的热力学模型来预测材料在室温或更高温度下的结构与性质.3)很难处理缺陷的团簇行为如结构稳定性与扩散性质.当体系中的缺陷团簇较大时，找到最稳定的团簇构型将变得非常困难，处理团簇的扩散性质也变得更加复杂.因此，迫切需要发展贯穿微观-介观-宏观时空尺度的多尺度模拟程序，来研究材料在聚变环境下的结构演化特征与性能变化规律，揭示材料力学性能降级或失效的机理，为聚变堆材料的筛选、研发与服役性能的评估提供理论指导.【相关文献】[1] 李建刚.托卡马克研究的现状及发展[J].物理,2016,45:88-97.[2] 吕广宏,罗广南,李建刚.磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展 [J].中国材料进展,2010,29:42-48.[3] ZINKLE S J, SNEAD L L, Designing radiation resistance in materials for fusion energy[J]. Annu Rev Mater Res, 2014,44:241-267.[4] RIETH M, DUDAREV S L, GONZALEZ de VICENTE S M, et al. Recent progress in research on tungsten materials for nuclear fusion applications in Europe[J]. J Nucl Mater, 2013,432(1-3):482-500.[5] WURSTER S, BALUC N, BATTABYAL M, et al. Recent progress in R&D on tungsten alloys for divertor structural and plasma facing materials[J]. J Nucl Mater, 2013,442(1-3):S181-S189.[6] SHU WM, KAWASUSO A, YAMANISHI T. Recent findings on blistering and deuterium retention in tungsten exposed to high-fluence deuterium plasma[J]. J Nucl Mater, 2009,386-388:356-359.[7] KAJITA S, SAKAGUCHI W, OHNO N, et al. Formation process of tungsten nanostructure by the exposure to helium plasma under fusion relevant plasma conditions[J]. Nucl Fusion, 2009,49:095005.[8] ITO A M, TAKAYAMA A, ODA Y, et al. Molecular dynamics and Monte Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation[J]. Nucl Fusion, 2015,55:073013. [9] YOSHIDA N, IWAKIRI H, TOKUNAGA K, BABA T, Impact of low energy helium irradiation on plasma facing metals[J]. J Nucl Mater, 2005,337-339:946-950.[10] HENRIKSSON K O E, NORDLUND K, KRASHENINNIKOV A, KEINONEN J, The depths of hydrogen and helium bubbles in tungsten: a comparison[J]. Fusion Science and Technology, 2006,50:43-57.[11] WIRTH B D, HAMMOND K D, KRASHENINNIKOV S I, MAROUDAS D, Challenges and。
等离子体化学反应机理的研究
等离子体化学反应机理的研究近年来，随着等离子体科学的发展，人们对等离子体化学反应机理的研究越来越重视。
等离子体化学反应机理的研究对于各种化学反应机理的认识及应用具有非常重要的意义，因此科学家们已经开始积极投入其中，并取得了不少重要的科研成果。
等离子体化学反应机理的研究，主要针对等离子体的化学反应机理进行了深入的研究，旨在探索等离子体反应中各种化学物质之间的相互作用规律和反应过程中的物质转化机理。
在等离子体科学中，由于等离子体具有高温、高能量、高电子密度、高反应速率等特点，导致其中的化学反应机制非常复杂，因此需要进行深入的研究，才能更好的认识和应用等离子体化学反应。
打破惯性思维，探索新的研究方向等离子体化学反应机理的研究与传统的化学反应机理研究相比，需要更为复杂的实验技术和理论研究方法，由于等离子体反应机理在化学反应中具有独特的特性，需要打破惯性思维，探索新的研究方向。
在等离子体化学反应机理的研究中，尤其需要注意本领域中的交叉学科研究，例如不同领域的专家共同组撰论文或联合合作研究。
通过交叉学科的研究合作，可以将不同领域的专业知识融合，并使得等离子体科学得到更加全面的研究和应用，从而推进等离子体化学反应机理研究的深入发展。
探究等离子体反应中的化学物质相互作用规律等离子体化学反应机理的研究，主要关注等离子体反应中的化学物质之间的相互作用规律。
随着实验技术的不断发展，科学家们能够运用最先进的实验技术手段，来研究等离子体中的化学反应机理。
通过利用高分辨质谱仪、红外光谱仪、光电子能谱仪等现代化技术仪器，来探究等离子体反应中各种离子、分子之间的相互作用规律。
同时，理论探究也是解决等离子体化学反应机理的重要途径之一。
如通常采用量子化学、分子动力学等数值模拟技术，模拟等离子体化学反应中的各种离子、分子的相互作用规律，并通过模拟实验，对实验结果进行理论分析和实验验证，以进一步探究等离子体反应机制。
结合理论研究和实验手段，寻找新的解决思路除了以上两种方法以外，还可以通过结合理论研究和现代化实验手段，寻找新的解决思路，以推进等离子体化学反应机理的研究。
使用多体理论的物理实验技术详解
使用多体理论的物理实验技术详解> 引言：物理学作为自然科学的一门学科，通过实验手段来验证和解释物质世界的规律。
多体理论作为描述多粒子相互作用的物理模型，在实验中得到了广泛应用。
本文将介绍几种使用多体理论的物理实验技术，详细解释其原理和应用。
1. 超导体的电子结构研究在研究超导体的电子结构时，常使用多体理论中的密度泛函理论(DFT)。
DFT 基于Hohenberg-Kohn定理，通过求解电子的密度分布来描述物质的性质。
研究者可以通过计算超导体中电子的波函数和能级分布，来解释超导体的超导性质和输运行为。
最近的研究还发现，通过引入多体效应可以更好地描述超导体的特殊性质，如费米液体的行为。
2. 多体相互作用的低温等离子体实验在低温等离子体实验中，电子和离子之间的相互作用是一个非常重要的问题。
通过使用多体理论中的分子动力学模拟，可以模拟低温等离子体中粒子的运动和相互作用。
通过调节粒子之间的相互作用势能，研究者可以研究等离子体在不同条件下的相变行为、输运性质以及能量传输机制。
这些研究对于解释等离子体在聚变等能源研究中的行为至关重要。
3. 量子点的光学性质研究量子点是一种尺寸在纳米级别的人工结构，具有独特的光学性质。
在研究量子点的光学性质时，常用到多体理论中的量子输运理论。
通过计算量子点中载流子的输运过程，可以解释量子点的发光特性、光学谱以及激子的形成和动力学过程。
这些研究对于开发基于量子点的光电子学器件和量子信息技术具有重要意义。
4. 顶角研究中的量子场论顶角是粒子物理学中强相互作用的基本过程之一。
为了描述顶角的性质和相互作用过程，物理学家使用多体理论中的量子场论。
通过量子场论，可以计算顶角中产生和湮灭粒子的概率，并进一步解释实验测量中观察到的粒子衰变和散射过程。
这些研究对于理解和发展粒子物理学的理论模型具有重要意义，也为新物理现象的发现提供了理论指导。
5. 多体理论在凝聚态物理实验中的应用总结多体理论在凝聚态物理实验中的应用非常广泛。
分子动力学模拟
分子动力学模拟分子动力学模拟：解开分子世界的奥秘分子动力学模拟是一种模拟分子间相互作用和运动的计算方法，利用数学算法和计算机模拟技术，可以研究原子和分子的行为。
它已经成为物理学、化学、生物学等领域研究中不可或缺的工具。
本文将介绍分子动力学模拟的原理、应用以及未来发展方向。
一、分子动力学模拟的基本原理分子动力学模拟是基于牛顿力学和统计力学的基本原理进行的。
它假设分子是由原子构成的，每个原子受到的势能和力可以通过计算得到。
通过计算分子系统中的粒子的速度和位置，可以模拟其运动和变化。
模拟过程中，使用时间步长将时间分割为很小的片段，通过求解经典牛顿定律方程的数值解来模拟粒子在力场中的运动。
二、分子动力学模拟的应用领域1. 材料科学领域分子动力学模拟在材料科学中有着广泛的应用。
通过模拟不同条件下原子和分子的运动，可以探究材料的结构、力学性质、热学性质等。
例如，可用于研究材料的疲劳性能、塑性变形机制以及材料的断裂行为等。
通过对材料的分子动力学模拟，可以对材料的特性进行预测和优化，为材料设计和制造提供指导。
2. 生物科学领域分子动力学模拟在生物科学领域的应用也非常广泛。
可以将分子动力学模拟应用于药物设计中，通过模拟药物与受体之间的相互作用，预测药物在生物体内的活性和选择性。
此外，分子动力学模拟还可以用于研究蛋白质的折叠机理、蛋白质-核酸相互作用等生物过程，以及研究细胞膜对物质的输运和分析等。
三、分子动力学模拟的挑战和未来发展方向虽然分子动力学模拟在理论和应用上取得了显著进展，但仍然面临一些挑战。
首先，大规模系统的模拟需要耗费大量的计算资源和时间，限制了研究的扩展性。
其次，精确描述原子与分子之间的相互作用仍然是一个困难的问题，当前的力场模型和参数化方法仍有提升空间。
此外，由于分子动力学模拟是一个数值计算方法，误差的累计可能导致模拟的不准确性。
因此，提高计算精度和效率仍然是未来发展的方向。
未来的发展方向之一是结合机器学习和深度学习等人工智能技术，将其应用于分子动力学模拟中。
等离子体动力学
f( r ,v ,t)
随时间变化的因素：
粒子运动，由力学运动方程确定的粒子空间位置和速度的变化 粒子间相互作用（碰撞）
研究动力学方程：分布函数在外加场情况下的变化规律
在时间t时刻，空间位置r~r+dr之间，速度在
v~v+dv之间的粒子数为：f(r, v, t）dr dv
dr dv 相空间元
2 kT υp m
中速率分布在p 附近的概率最大。
—最可几(概然)速率
在温度T 的平衡态下，速率在p附近单位速率区间内的的粒子数最多，或者说粒子
(c)曲线下面积的物理意义
在 - +d区间内的分子数占总分子数的百分比：
dN f d N
f()
o
+ d
在1 - 2区间内的分子数占总分子数的百分比。
Company Logo
例2 假定N个粒子的速率分布函数为
f ( )
C sin ; (0 o , o为常数 ) o
求 (1)归一化常数C; (2)处在f()> C 2 的粒子数。 解 (1)由归一化条件:
f( )
0.
( o )
dN =N f()d υ υ 速率区间1 —2内的分子数: dN N f ( υ )dυ υ υ
2 2 1 1
速率区间1 —2内分子速率之和:
υ2
υ1
Nυf ( υ )dυ
于是速率区间1 —2 内分子的平均速率为
υυ υ
1
2
υ2
υ1 υ2 υ1
υf (υ)dυ f (υ )dυ
dN N f ( )d N N
分子动力学模拟及其在材料中的研究进展汇总
《材料计算设计基础》学号：流水号：姓名：完成日期：分子动力学模拟及其在材料中的研究进展摘要：本文综述了分子动力学模拟技术的发展，介绍了分子动力学的分类、运动方程的求解、初始条件和边界条件的选取、平衡系综及其控制、感兴趣量的提取以及分子动力学模拟在材料中的研究进展。
关键词：分子动力学模拟平衡态系综金属材料感兴趣量径向分布函数引言科学工作者在长期的科学研究实践中发现，当实验研究方法不能满足研究工作的需求时，用计算机模拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息；尽管计算机模拟不能完全取代实验，但可以用来指导实验，并验证某些理论假设，从而促进理论和实验的发展。
特别是在材料形成过程中许多与原子有关的微观细节，在实验中基本上是无法获得的，而在计算机模拟中即可以方便地得到。
这种优点使分子动力学模拟在金属材料研究中显得非常有吸引力。
分子动力学MD (Molecular Dynamics)模拟就是用计算机方法来表示统计力学，作为实验的一个辅助手段。
MD模拟就是对于原子核和电子所构成的多体系统，求解运动方程(如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程)，其中每一个原子核被视为在全部其它原子核和电子作用下运动，通过分析系统中各粒子的受力情况，用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度，以确定粒子的运动状态，进而计算系统的结构和性质。
该模拟技术主要涉及粒子运动的动力学问题,与蒙特卡罗模拟方法(简称MC)相比,分子动力学是一种“确定性方法”,它所计算的是时间平均,而MC进行的是系综平均。
然而按照统计力学各态历经假设,时间平均等价于系综平均。
因此,两种方法严格的比较计算能给出几乎相同的结果。
经典的分子动力学方法是Alder等于1957年提出并首先在“硬球”液体模型下应用，发现了由Kirkwood在1939年根据统计力学预言的“刚性球组成的集合系统会发生有液相到结晶相的转变”。
后来人们称这种相变为Alder相变。
分子动力学模拟金属离子_解释说明
分子动力学模拟金属离子解释说明1. 引言1.1 概述本文将介绍分子动力学模拟在金属离子研究中的应用。
金属离子作为一种重要的离子形态，在材料科学、生物医学和环境保护等领域具有广泛的应用。
通过分子动力学模拟技术，我们可以模拟金属离子在溶液中的结构和行为，从而深入了解其物理化学特性及其与周围环境的相互作用机制。
1.2 文章结构本文共分为五个部分。
首先在引言中概述了文章的内容和意义，并介绍了各章节的主要内容。
然后，在第二章中详细介绍了分子动力学模拟原理以及金属离子的特性与行为。
第三章将重点讨论模拟方法与参数设定，包括选择适当的分子力场和校准参数、控制时间步长和温度、处理边界条件等方面。
接下来，在第四章中，我们将展示并讨论模拟结果，包括金属离子的动态行为演化图示、温度和压力对其性质的影响分析以及离子溶解过程的模拟与解释说明。
最后，在第五章，我们对本文的研究结果进行总结与主要发现阐述，并指出了研究中的不足及改进方向，并探讨了未来金属离子研究的发展方向。
1.3 目的本文的目的是通过分子动力学模拟方法，深入探索金属离子在溶液中的行为和性质，并提供理论基础和参考依据用于进一步实验和应用研究。
通过详细描述模拟方法和参数设定，我们希望能够给读者提供一个清晰的指导，使他们能够正确地使用分子动力学模拟技术来研究金属离子系统。
同时，我们希望通过本文所呈现的模拟结果和讨论，为金属离子相关领域的科学家们提供一些新思路和观点。
2. 分子动力学模拟金属离子2.1 分子动力学模拟原理:分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律的计算方法，它通过数值积分求解原子或分子系统在给定势场下的运动轨迹。
在这个过程中，金属离子的位置、速度和相互作用等信息可以被模拟和记录。
2.2 金属离子的特性与行为:金属离子通常具有正电荷，并且常以溶液中形式存在。
它们在溶剂中会表现出不同的行为，如聚合态、孤立态和配位态等。
此外，金属离子还具有活跃性和可逆性，在化学反应中起着重要作用。
等离子体射流的数值模拟的开题报告
等离子体射流的数值模拟的开题报告一、选题背景等离子体射流是一种高速气体流动过程，常用于空气动力学实验和航空航天领域。
在航空航天领域，等离子体射流被广泛地应用于空气动力学实验和滑行辅助等方面。
在这些应用中，研究不同工况下等离子体射流性质的变化特别重要。
然而，等离子体射流的高速、高温、高能量特性，增加了其实验研究的困难度。
因此，使用数值模拟技术来模拟等离子体射流是一种方便、快捷且有效的方法。
二、研究内容本课题将利用数值模拟方法对等离子体射流进行研究，主要包括以下内容：1. 建立等离子体射流数学模型：建立等离子体射流的数学模型，考虑等离子体射流与各个物理量之间的相互作用。
2. 开发数值模拟方法：根据等离子体射流数学模型，设计数值模拟算法，用于模拟等离子体射流的运动和传热特性。
3. 进行数值模拟：使用开发的数值模拟方法对不同工况下的等离子体射流进行模拟，并研究其传热特性和流动特性的变化。
4. 数据分析和结果展示：分析模拟数据，研究等离子体射流特性的变化规律，并通过图表等方式对研究结果进行展示。
三、研究意义本研究的主要意义在于：1. 提高等离子体射流模拟技术：通过模拟研究，可以提高等离子体射流模拟技术，为实际应用提供基础研究和技术支撑。
2. 深入研究等离子体射流特性：通过模拟不同工况下等离子体射流的传热特性和流动特性，可以更深入地研究等离子体射流特性的变化规律。
3. 推动等离子体射流在实际应用中的推广：研究等离子体射流的传热特性和流动特性，可以推动等离子体射流在实际应用中的推广和应用。
四、研究方法本研究将采用数值模拟方法进行研究。
主要包括以下步骤：1. 建立等离子体射流的数学模型，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和等离子体特性方程等。
2. 开发数值模拟算法，采用高分辨率的计算方法和剖分技术，将三维等离子体射流模型分为多个网格单元进行计算，获得等离子体射流的传热特性和流动特性等相关数据。
3. 进行数值模拟，模拟不同工况下等离子体射流的传热特性和流动特性，包括射流速度、温度梯度、压力分布等。
等离子体物理的实验与模拟
等离子体物理的实验与模拟等离子体是一种高度电离的气体状态，具有独特的物理性质，在空间科学、核聚变和材料科学等领域都有广泛应用。
为了更好地理解和控制这种复杂的物理过程，等离子体物理学家利用实验和模拟手段进行研究。
一、等离子体实验等离子体实验通常使用等离子体束、高功率激光和磁约束等设备来生成等离子体，并通过光谱学、电学和磁学等手段对其性质进行研究。
例如，弧光放电等离子体实验是一种常见的等离子体产生方法，它使用电弧将气体电离并生成等离子体。
实验者可以通过改变电流、电压和气体混合比等因素来控制等离子体的性质，例如温度、密度和成分等。
然后，使用光谱学等技术分析等离子体光谱并确定等离子体的物理性质。
高功率激光也可以用于产生等离子体。
当强激光束照射到固体、气体或液体表面时，产生高密度等离子体和等离子体波等现象。
波浪弯曲、不稳定性和失稳性都是等离子体波中的重要物理现象，这些现象在高功率激光等离子体实验中得到了探测和研究。
还有一种等离子体实验被称为磁约束等离子体，即使用强大的磁场将等离子体约束在一个稳定的空间内。
由于等离子体具有带电性和磁感应性，因此可以通过改变磁场强度和方向来调节等离子体的行为和运动。
磁约束等离子体在研究核聚变、空间天气和太阳风等方面有着广泛的应用。
二、等离子体模拟虽然等离子体实验可以产生和研究等离子体，但实验本身具有复杂性和昂贵性，因此等离子体模拟也成为了研究等离子体物理的重要手段之一。
等离子体模拟涉及数学和物理模型的建立以及计算机程序的开发和实现。
等离子体物理的数学模型通常基于Maxwell方程组和Boltzmann方程描述等离子体的电磁和动力学行为。
这些方程描述了等离子体中电磁场、电子、离子和中性分子等粒子的相互作用和运动。
为了解决这些方程，需要开发计算模型和算法，例如有限元方法和粒子模拟等。
等离子体模拟的一个好处是可以模拟实验中难以获得的过程或条件。
例如，模拟高温、高能量密度等情况下的等离子体行为。
化学反应中的等离子体与化学动力学
化学反应中的等离子体与化学动力学在化学反应中，等离子体是一个十分重要的概念。
等离子体是由电离气体或等离子体体积化学反应中形成的一种电离气体。
这种气体具有独特的物理和化学特性，因此在化学反应中的作用也比较特殊。
本文将会重新审视等离子体和化学动力学之间的关系，分析等离子体究竟如何影响化学反应以及如何通过化学动力学来描述。
什么是等离子体？等离子体是一种几乎所有物质都会在高温或高能量条件下形成的一种物质状态。
等离子体的特点是它是由具有正、负电荷的离子及自由电子组成的气体，而这些离子和电子在电性和化学性上与普通气体有着十分显著的差异。
等离子体状态通常是在可见光谱中呈暗紫色的、没有定形又恶臭的热气，类似于通常所说的火焰。
等离子体的形成方式有很多，在化学反应中形成的等离子体通常是由提供饱和氧流量的放电等高压电源所产生的。
例如，在通常用作活化剂的等离子体处理法中，大气中的氧气和氮气分子被非平衡放电激活，形成等离子体，从而用化学反应作为同步反应来时刻保持这种等离子体状态。
等离子体可以衍射或产生明亮的光谱带，以证明它存在。
辉光灯和波浪炉，就是采用等离子体的原理制成的仪器，是人类利用等离子体的所创造的一些伟大发明。
等离子体在化学反应中的作用等离子体通过电离气体反应或化学活化产生的反应事件，可以消除或大大减少从反应中产生的热效应和粘滞效应。
同时，等离子体也有利于激活分子、表面改性、退火等化学反应过程。
在光谱分析和成象学等科学中，等离子体都发挥了重要作用。
等离子体在化学反应中的作用有两个重点，即，通过提供新的反应途径，或者通过提高化学反应的能量和化学反应速率来有效地促进化学反应的进行。
通过提供新的反应途径促进化学反应的进行，是等离子体在化学反应中一种非常重要的作用。
例如，在等离子体处理法中，通过放电化学反应将分子分解，并在反应中产生大量的自由基和离子，这些物质会促进分子间的相互作用，从而有效地促进反应的进行。
此外，等离子体形成的反应还可以提供一些新的方式，例如在医药领域中，用于人体组织的无创治疗。
分子动力学模拟实验的原理和应用
分子动力学模拟实验的原理和应用分子动力学模拟实验是一种利用数学和计算机模型来研究分子运动规律和相互作用的方法。
它被广泛应用于物理、化学、材料科学、生物化学等领域，为人类探索物质世界提供了重要的工具。
下面我们将探讨这种方法的原理和应用。
一、分子动力学模拟实验的原理分子动力学（Molecular Dynamics, MD）是一种基础的计算物理学方法，它使用牛顿运动定律和量子力学原理，将原子和分子的运动看作是经典粒子在势能场中的运动。
通过将势能函数数值化为分子内原子之间的相互作用，将分子所受的力的大小和方向计算出来，并根据牛顿运动定律来确定它们的轨迹和状态。
这样可以得到分子在不同时间点的位置、速度、能量等信息，进而研究其热力学、动力学和结构性质。
MD模拟计算主要分为以下几个步骤：首先定义分子体系，包括原子种类、原子数、体系大小、温度、压力等参数；然后定义分子力场，包括势能和力的计算方法；根据分子力场计算出分子所受的力；根据牛顿运动定律求解分子在不同时间点的位置和速度；最后计算分子的热力学、动力学和结构性质。
二、分子动力学模拟实验的应用MD模拟是一种基于物理原理的理论模型，可以模拟不同温度、压力、相变等条件下的分子运动和相互作用。
它可以为化学反应、材料合成、酶催化机理、药物设计等研究提供重要的帮助。
以下是MD模拟在不同领域的应用。
1. 材料科学MD模拟可以模拟材料的物理、化学性质及其相互作用。
例如，在研究聚合物和复合材料的合成、结晶、玻璃转变和热机械性能时，MD模拟可计算热力学、动力学参数和结构特征，并预测材料的制备和性能。
2. 生命科学MD模拟常用于分析生物大分子的结构、动力学和解析度。
例如，在研究蛋白质折叠、膜蛋白通道和酶促反应中，可以通过模拟蛋白质水合、静电作用和氢键的形成，从而探索蛋白质分子结构和功能等生物学问题。
3. 药学MD模拟可用于研究药物的作用机制、药物相互作用和药效等问题。
例如，在研究药物与细胞膜接触时，可以通过模拟药物与膜蛋白的相互作用，预测药物与载体的相互作用、吸收性和药效。
【国家自然科学基金】_分子动力学模拟_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2019/1/2
10
非晶W的MD模拟
ASIPP
非晶胞模拟过程:
g(r)
初始结构：bcc晶态W元胞，密度为19.25 g/cm3, 三个方向施加周期性边界条件
系统在300K室温下平衡10个ps后，升温至 4000K
在4000K融化状态下保持200ps
将元胞冷却至300K，冷却速率为40K.ps-1 在300K下平衡50ps
2019/1/2
2
人类能源危机与聚变能研究进展
ASIPP 能源需求日益增大
传统能源：化石燃料，存量有限，并带来严峻环境问题 替代能源：太阳能、生物能、风能等产量与效率很低 裂变能：铀储量有限，核废料造成的环境和安全问题 聚变能：受控核聚变将为人类提供终极理想清洁能源
磁约束等离子体与托卡马克热核聚变装置
两种辐照模拟：非累计型模拟和累计型 模拟。
2019/1/2 12
表面损伤
ASIPP
表面损伤：损伤程度随着入 射能量的升高而增加。其表 征参数为对函数分布函数。 表面损伤的机理：动能释放 与晶格碰撞。
50个入射C原子在表面的堆积情 况与入射能量的依赖关系 （a)1 eV (b) 5 eV (c) 10 eV (d) 50 eV (e) 100 eV (f)200 eV *red balls represent the C atoms *black ones represent W atoms.
达到的目标：
运用MD方法，研究H、C和W材料相互作用的物理机制 W在等离子体辐照下材料本身结构与性能的变化规律及其机制 了解W材料在EAST和ITER中应用的物理基础，为聚变PFM的设计和应用提供 参考依据
2019/1/2
9
主要内容
ASIPP
研究背景
研究方法
研究目标
论文进展情况 存在问题与改进措施
Z: 最近邻数 q: 每个原子的价电子数 b: 健级(bond order) Vrep(r): 紧邻原子间排斥力 Vatt(r): 引力函数
修订Brenner势：Juslin等对的CH势进行改造，并重新计算拟合了 W-W，W-C和W-H之间的参数设置，有效模拟H和CH与金属 W之间的相互作 用 用于包含多元材料的不同性质，如表面，缺陷，融化性质等
ITER cutaway
2019/1/2
Bird view of EAST
3
聚变能领域W材料的应用
ASIPP
钨（W）材料优良特性
高熔点 低物理溅射率和高溅射阈能 不与氢发生化学刻蚀以及低的H滞留 方便用喷涂方法进行大规模生产
钨（W）材料在聚变装置中的应用
2019/1/2
2019/1/2 11
模拟元胞初始化
ASIPP
表面模拟：X和Y方向施加周期性边界条 件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。 温控：衬底以上已经四个侧面的三个原 子层内施加温控条件。 初始位置：入射原子在元胞外势函数截 断距离之外，非温度控制区域以上作为初 始位置。随机改变原子的入射位置，进行 统计。 初始动能：改变原子的入射动能，研究 能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种， 一种是固定动能，另外一种就是载能粒子 的能量服从麦克斯韦分。 初始角度：改变原子入射角度，研究角 度依赖关系。 元胞温度：改变元胞温度，研究衬底温 度依赖关系。选择模拟的步长。
2019/1/2
6
BOP势函数 (Bond Order Potentials)
ASIPP
BOP势：表述具有不同化学键和 不同结构材料中的原子间相互作 用进行 Brenner势：用于不同的C或者 CH系统，可描述纯C结构材料和 CH分子以及键合和键断等动力学 效应
1 Z Ei qVrep (r ) bVatt (r ) 2 j 1
4
主要内容
ASIPP
研究背景
研究方法
研究目标
论文进展情况 存在问题与改进
2019/1/2
5
分子动力学在聚变材料中的应用
ASIPP
材料计算模拟：与理论和实验相并列的一个新的分支 分子ห้องสมุดไป่ตู้力学(Molecular Dynamics -MD)： 原理：根据量子力学等基本物理理论，建立物理模型，构造势函数，在 微观的分子和原子层面上对材料进行研究，预测材料服役行为
方法：建立一组粒子的运动方程，通过数值计算得到每个粒子在各时刻 的坐标与动量，求得相空间的运动轨迹，并用统计方法得到系统的静态 和动态特性，从而得到系统的宏观特性
核聚变研究的极端条件与特殊性：超高温、强辐照、强磁场等极端条件 下，等离子体与PFM的相互作用涉及到微观尺度和很短的时间尺度 分子动力学的应用：材料表面溅射、高能粒子的射程分布、材料的内部 辐照损伤，材料的熔化以及相变等
2019/1/2 7
主要内容
ASIPP
研究背景
研究方法
研究目标
论文进展情况 存在问题与改进措施
2019/1/2
8
论文的计划目标
ASIPP
主要研究内容：
采用MD方法对等离子体与W-PFM相互作用过程进行计算模拟研究 低能H粒子在W表面的反射和吸附，H在W体内的俘获等 C粒子在W表面的反射和吸附，体内的射程分布、沟道效应以及扩散行为等
ITER：第一阶段W用作偏滤器非靶板的PFM，最后实现全钨第一壁。 ITER后的堆型设计：全W的PFM成为共识 EAST：在3-5年实现主动冷却VPS-W/Cu-偏滤器 德国ASDEX-U：已实现全W第一壁 英国JET托卡马克：ITER-like Wall，W块材作为偏滤器的PFM 日本九州大学QUEST球马克：将PFM升级为W涂层材料
ASIPP 中期报告（2009-12-09）
钨面对等离子体材料的 分子动力学模拟
报告人：杨钟时 导 师：罗广南 研究员
主要内容
ASIPP
研究背景
研究方法
研究目标
论文进展情况 存在问题与改进措施
2019/1/2
1
主要内容
ASIPP
研究背景
研究方法
研究目标
论文进展情况 存在问题与改进措施
g(r)
5 (a) 4 3 2 1 0 20 (b) 15 10 5 0 2 4
W-W (amorphous W)
W-W (crystalline W)
r (Å)
6
8
10
晶态和非晶态W中的 W-W 对分布函数g(r) 第一紧邻位置和数值相似揭示非晶W的 的短程有序性。 第二紧邻位置偏移，更高级的近邻峰值 拓展或消失揭示长程无序。