マルチハイブリッド計算の発展によるプラズマ照射と長時間構造緩和の競争機構の解明

通过多混合计算的发展阐明等离子体辐照和长期结构弛豫之间的竞争机制

基本信息

批准号：
19H01882
负责人：
伊藤篤史
金额：
$ 6.49万
依托单位：
National Institute for Fusion Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

プラズマと壁の相互作用を正しく理解するためには、プラズマ粒子の入射頻度と固体物質内部の現象との間で生じる競争現象を真面目に議論する必要がある。このような複数の現象の競争は時間スケールの違いによって生じるため、現実と同様の時間スケールで物事を記述する必要がある。またそれはプラズマと固体の極端な密度差に由来している。この問題に真正面から取り組むため、我々は空間スケールをミクロに留めたまま、時間スケールに関してだけを粗視化してマクロへ繋ぐ計算手法を考案して、原子レベルの計算で秒に届く現象の再現を行うことを目指している。本研究においては、材料表面及び内部における原子の拡散移動や構造変化を長時間にわたって解くオンザフライ動的モンテカルロ(KMC)コードFlyAMの開発を行っている。昨年度には千日手の除外法を開発し、物理的にトリビアルな振動イベントの発生を抑えることで、到達できる時間スケールを大きく向上させた。しかしながら、本年度の研究において、核融合条件下で生成されるタングステンダイバータ表面のナノ構造が高温で消失する様子を上手く再現できないという新たな課題が見つかった。その原因として、高温時の原子のゆらぎにより原子の感じる移動障壁エネルギーが実効的に低下する効果に着目した。そこで、オンザフライKMCのうち、局所分子動力学(MD)による移動障壁エネルギーの算出の部分において、ジャルジンスキー等式を利用することで自由エネルギーの障壁を求める計算手法を開発した。移動障壁エネルギーから自由エネルギーの障壁に替わることで、有限温度でのゆらぎの効果が考慮されたことになる。実際に有限温度効果(ゆらぎの効果)を入れたオンザフライKMC計算を行ったところ、ナノ構造が高温で消失する様子を上手く再現することができた。本成果については年度末の国際会議ISPLASMA2022にて発表を行った。

为了正确理解等离子体与壁之间的相互作用，有必要认真讨论等离子体粒子的入射频率与固体材料内部现象之间发生的竞争现象。由于多种现象之间由于时间尺度的差异而产生竞争，因此需要在与现实相似的时间尺度上描述事物。它还源于等离子体和固体物质之间的极端密度差异。为了正面解决这个问题，我们设计了一种计算方法，仅对时间尺度进行粗粒度化，并将其与宏观联系起来，同时将空间尺度保持在微观层面。这使得我们能够重现达到秒级的现象。使用原子级计算的目的就是这样做。在这项研究中，我们正在开发一种动态蒙特卡罗 (KMC) 代码 FlyAM，它可以解决材料表面和材料内部的原子在长时间内的扩散运动和结构变化。去年，我们开发了千日排除方法，通过抑制物理上微不足道的振动事件的发生，大大提高了可达时间尺度。然而，在今年的研究中，发现了一个新问题，即无法成功重现高温聚变条件下生产的钨偏滤器表面纳米结构的消失。作为其原因，我们关注的是由于高温下的原子波动而有效地降低了原子感受到的运动势垒能的效果。因此，我们在on-the-fly KMC部分开发了一种利用Jarzynski方程计算自由能势垒的计算方法，通过局域分子动力学（MD）计算传输势垒能。通过用自由能垒代替转移势垒能，考虑了有限温度下波动的影响。当我们实际执行包含有限温度效应（涨落效应）的动态 KMC 计算时，我们能够成功地重现纳米结构在高温下的消失。这一结果在本财年末的国际会议 ISPLASMA2022 上公布。

项目成果

期刊论文数量（24）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

研究代表者のWebページ

研究代表的网页

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

千日手の制限による動的モンテカルロ法を高速化

加速具有千日限制的动态蒙特卡罗方法

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Kenichi Nagaoka;Haruhisa Nakano;Katsuyoshi Tsumori;Katsunori Ikeda;Masaki Osakabe;Masashi Kisaki;Ryoya Nakamoto;Shinji Yoshimura;Taiga Hamajima;Toru Sasaki;Yutaka Fujiwara (Nat;伊藤篤史，高山有道
通讯作者：
伊藤篤史，高山有道

プラズマ-物質科学におけるシミュレーションと情報科学の協同とは

等离子体材料科学中的模拟与信息科学之间的合作是什么？

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Haruhisa Nakano;Shingo Masaki;Katsuyoshi Tsumori;Masaki Osakabe;Katsunori Ikeda;Yasuhiko Takeiri;Engrhyt Rattanawongnara;Kenichi Nagaoka;伊藤篤史
通讯作者：
伊藤篤史

Modernization of Binary Collision Approximation Simulation for Plasma-Material Interaction

等离子体-材料相互作用二元碰撞近似模拟的现代化