The design of highly radiation-tolerant plasma-facing materials (PFMs) is of great importance for fusion reactors. Our recent experiments have shown that nanochannel tungsten (W) films have clearly superior radiation tolerance properties. In the present work, helium clustering and release from nanochannel tungsten were studied by molecular dynamics simulations. The effects of temperature and vacancy concentration on the helium release from a tungsten cylinder were investigated. Our results show that nanochannel W that consists of thin W cylinders releases He atoms more quickly than bulk W with flat surfaces, thus greatly reducing the He concentration and suppressing the formation and growth of He bubbles, which leads to increased radiation tolerance. Moreover, the microstructural changes due to increasing He fluence are smaller in nanochannel W than those in bulk W. Although vacancies in nanochannel W will trap He atoms, the nanochannel W also has a stronger tendency to stabilize helium retention than bulk W. The mechanism of helium release from nanochannel W was also examined. The results reported here are beneficial for guiding future work in the design of radiation resistant PFMs.
高耐放射線性プラズマ対向材料(PFMs)の設計は、核融合炉にとって非常に重要である。我々の最近の実験により、ナノチャネルタングステン(W)薄膜が明らかに優れた耐放射線性特性を有することが示された。本研究では、分子動力学シミュレーションにより、ナノチャネルタングステンからのヘリウムクラスタリングと放出を研究した。タングステンシリンダーからのヘリウム放出に対する温度と空孔濃度の影響を調査した。我々の結果は、薄いWシリンダーからなるナノチャネルWは、平坦な表面を持つバルクWよりも速くHe原子を放出し、それによってHe濃度を大幅に低減し、Heバブルの形成と成長を抑制し、耐放射線性の向上につながることを示している。さらに、Heフルエンスの増加による微細構造変化は、バルクWよりもナノチャネルWの方が小さい。ナノチャネルW中の空孔はHe原子を捕獲するが、ナノチャネルWはバルクWよりもヘリウム保持を安定化する傾向が強い。ナノチャネルWからのヘリウム放出のメカニズムも調べた。ここで報告する結果は、耐放射線性PFMsの設計における今後の研究を導く上で有益である。