Tungsten (W) is an ideal plasma-facing material (PFM) for fusion devices. Plasma irradiation induces W atoms sputtering, which negatively affects the confinement of core plasma and the operational lifespan of W PFM. Although physical sputtering of W has been extensively studied, recent experiments on TEXTOR, ASDEX, and EAST have observed a previously undetected phenomenon: tungsten deuterium (WD) chemically assisted physical sputtering. Although the mechanism of WD chemically assisted physical sputtering have been empirically identified, the ab initio description of the underlying processes is still uncertain. In this study, we focus on why WD co-sputtering occurs and what are the conditions that lead to WD co-sputtering. Ab initio molecular dynamics (AIMD) and bond order calculations reveal that WD co-sputtering is driven by the interatomic attraction between W and D. Bond order and binding energy trends show that as the sputtered W atom ascends from surface, electrons transfer from the W–surface to the W–D bond, strengthening the W–D binding energy. Ultimately, the W–D binding energy surpasses the D–surface binding energy, enabling WD co-sputtering. Molecular dynamics (MD) simulations considering practical conditions such as atomic momentum transfer, thermal perturbation, and varied sputtering directions further validated these findings. Combining multiscale simulations, this study provides a comprehensive analysis from electronic interaction to atomic collisions, ultimately uncovering the atomic scale mechanism of WD chemically assisted physical sputtering.
タングステン (W) は核融合装置にとって理想的なプラズマ対向材料 (PFM) である。プラズマ照射はW原子のスパッタリングを誘発し、これは中心プラズマの閉じ込めとW PFMの運用寿命に悪影響を及ぼす。Wの物理スパッタリングは広く研究されてきたが、TEXTOR、ASDEX、EASTにおける最近の実験では、これまで検出されていなかった現象、すなわちタングステン–重水素 (WD) 化学支援物理スパッタリングが観測された。WD化学支援物理スパッタリングの機構は経験的に特定されているが、その背後にある過程の第一原理記述は依然として不確かである。本研究では、なぜWD共スパッタリングが発生するのか、またWD共スパッタリングを引き起こす条件は何かに焦点を当てる。第一原理分子動力学 (AIMD) と結合次数計算により、WD共スパッタリングがWとDの間の原子間引力によって駆動されることが明らかになる。結合次数と結合エネルギーの傾向は、スパッタされたW原子が表面から上昇するにつれて、電子がW–表面結合からW–D結合へ移動し、W–D結合エネルギーが強化されることを示す。最終的に、W–D結合エネルギーがD–表面結合エネルギーを上回り、WD共スパッタリングが可能になる。原子運動量移動、熱的摂動、多様なスパッタリング方向などの実際的な条件を考慮した分子動力学 (MD) シミュレーションは、これらの知見をさらに検証した。マルチスケールシミュレーションを組み合わせることにより、本研究は電子相互作用から原子衝突に至るまでの包括的な解析を提供し、最終的にWD化学支援物理スパッタリングの原子スケール機構を解明する。