We investigate helium flux effects on helium transport and surface evolution in plasma-facing tungsten using molecular dynamics. The simulations span two orders of magnitude, from ITER-relevant levels to those more typical of simulations published to date. Simulation times of up to 2.5 µs (corresponding to actual fluences of m−2) are achieved, revealing concerted bubble-bursting events that are responsible for significant and very sudden changes in surface morphology. The depth distribution of helium depends very strongly on helium flux: helium self-trapping becomes more probable near the surface at high flux, and a layer of near-surface bubbles forms. Helium retention prior to the onset of bubble bursting is also substantially lower at low flux than it is at high flux. Surface features at low fluence are correlated with the positions of bubbles, but at high fluence, bubbles tend to coalesce, venting to the surface at one or more locations and leaving large interconnected cavities below the surface. Ruptured bubbles may serve as pathways deeper into the material, allowing helium to bypass the layer of near-surface bubbles and fill deeper, potentially much larger, bubbles that can produce more substantial surface features. Deeper bubbles also emit prismatic dislocation loops that can fill in cavities closer to the surface. Our results suggest that nearly all molecular dynamics simulations published to date are hampered by finite-size effects, and that helium flux is a very important parameter in determining the behavior of helium in plasma-facing components.
我々は、分子動力学を用いて、プラズマ対向タングステン中のヘリウム輸送と表面発展に対するヘリウムフラックスの影響を調査する。シミュレーションは、ITER関連レベルから、これまでに発表されたシミュレーションでより典型的なレベルまで、2桁にわたる範囲を網羅する。最大2.5 µs（実際のフルエンス m−2 に相当）までのシミュレーション時間が達成され、表面形態の重大かつ非常に急激な変化をもたらす協調的なバブルバースト現象が明らかになる。ヘリウムの深さ分布はヘリウムフラックスに非常に強く依存する：高フラックスでは表面近傍でのヘリウムの自己捕獲がより起こりやすくなり、表面近傍のバブルの層が形成される。バブルバースト開始前のヘリウム保持も、低フラックスでは高フラックスよりも大幅に低い。低フルエンスでの表面特徴はバブルの位置と相関するが、高フルエンスではバブルは合体する傾向があり、1箇所以上の位置で表面に放出され、表面下に大きな相互接続された空洞を残す。破裂したバブルは材料内部への経路として機能し、ヘリウムが表面近傍のバブルの層を迂回して、より深く、潜在的にさらに大きなバブルを満たすことを可能にし、より顕著な表面特徴を生み出す可能性がある。より深いバブルはまた、表面に近い空洞を埋めることができるプリズマティック転位ループを放出する。我々の結果は、これまでに発表された分子動力学シミュレーションのほぼ全てが有限サイズ効果によって妨げられていること、そしてヘリウムフラックスがプラズマ対向部品におけるヘリウムの挙動を決定する上で非常に重要なパラメータであることを示唆している。