The low-energy erosion mechanisms of first-wall materials subject to a fusion plasma are poorly known theoretically, even though they pose a critical problem for the development of tokamak-like fusion reactors. Using molecular dynamics computer simulations and analytical theory, we have examined the fundamental mechanisms of the erosion of first-wall materials, focusing on molecular release from beryllium surfaces. We show that the observed sputtering of BeD molecules from beryllium when exposed to a D plasma can be explained by the swift chemical sputtering mechanism, and that it also can happen in BeW alloys. This demonstrates that pure metals can, in contrast to conventional wisdom, be sputtered chemically. We also link the simulations of BeD sputtering to the plasma impurity transport code ERO, in order to follow the behavior of sputtered BeD species in a plasma. This multi-scale approach enables direct comparisons with experimental observations of BeD sputtering in the PISCES-B facility.
核融合プラズマに曝される第一壁材料の侵食機構は、トカマク型核融合炉の開発にとって重大な問題であるにもかかわらず、その理論的理解は不十分である。我々は、分子動力学シミュレーションと解析理論を用いて、ベリリウム表面からの分子放出に焦点を当て、第一壁材料の侵食の基本機構を調べた。ベリリウムがプラズマに曝された際に観測されるBeD分子のスパッタリングは、高速化学スパッタリング機構によって説明できることを示し、またこの現象がBeW合金でも起こり得ることを明らかにした。これは、従来の通説に反して、純金属が化学的にスパッタリングされ得ることを実証するものである。さらに、スパッタリングされたBeD種のプラズマ中での挙動を追跡するため、BeDスパッタリングのシミュレーションをプラズマ不純物輸送コードEROと連成させた。このマルチスケールアプローチにより、PISCES-B施設におけるBeDスパッタリングの実験観測結果との直接比較が可能となる。