EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟
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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
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.
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。
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
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
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
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 分子动力学(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
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 Baidu Nhomakorabea1
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。
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
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
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
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
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
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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
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.
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。
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
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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
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
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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
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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 分子动力学(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
2019/1/2
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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 Baidu Nhomakorabea1
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。
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
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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
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
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
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