We present a comparison between a continuum-scale drift-diffusion-reaction cluster dynamics prediction of helium retention in low-energy helium plasma exposed tungsten and experimental measurements, in a temperature regime that did not produce tungsten fuzz. Our cluster dynamics model, Xolotl, has been successfully benchmarked to high helium implantation flux MD simulations at relatively low implanted fluence. In this article, we also describe the extension of the Xolotl DDR model to incorporate the effect of bubble bursting, which is observed in very high rate MD simulations, as well as MD simulations at longer times than simulated in our prior benchmarking comparison. The bursting model parameters have been tuned by comparing to MD simulations at a flux of 5.0 × 1027 m−2 s−1, and also compared to lower implanted fluence simulations performed at ~4.0 × 1025 m−2 s−1. This article then reports on the consistency of the Xolotl predictions with respect to the size of the simulated cluster phase space (i.e. the maximum cluster size), initial vacancy concentration, and bubble growth trajectory (maximum number of helium atoms per vacancy). Finally, our simulation results are compared to helium plasma experiments that did not produce fuzz. While the Xolotl predictions including bubble bursting are in quantitative agreement with high-flux MD simulations, the initial comparison to plasma exposure experiments at a flux on the order of 1021 m−2 s−1 disagree by more than an order of magnitude, and in fact cannot reproduce the trends in helium retention with varying exposure temperature. Modifying the initial vacancy concentrations and helium cluster diffusion behavior in Xolotl leads to a reasonable agreement with the experimental observations, although the underlying physical explanation for these modifications remains unclear. The predicted helium content at experimentally relevant fluxes has been shown to be relatively insensitive to the parameters used in the bubble bursting model implemented in Xolotl, although these parameters have a larger influence at higher flux. More systematic comparisons between the modeling predictions with both experiments and MD simulation results is expected to improve the bubble bursting model in Xolotl in the future.
我々は、低エネルギーヘリウムプラズマに曝露されたタングステンにおけるヘリウム保持の連続体スケールのドリフト-拡散-反応クラスターダイナミクス予測と実験測定値との比較を提示する。この比較は、タングステンファズが生成されなかった温度領域で行われた。我々のクラスターダイナミクスモデルであるXolotlは、比較的低い注入フルエンスにおける高ヘリウム注入フラックスの分子動力学(MD)シミュレーションに対して、これまでに良好なベンチマーク結果を得ている。本稿では、非常に高い速度のMDシミュレーションで観察されるバブルバーストの効果を組み込むためのXolotlドリフト-拡散-反応モデルの拡張についても述べる。さらに、以前のベンチマーク比較でシミュレーションしたよりも長い時間にわたるMDシミュレーションについても述べる。バブルバーストモデルのパラメータは、5.0×10²⁷ m⁻²s⁻¹のフラックスでのMDシミュレーションとの比較によって調整され、また、約4.0×10²⁵ m⁻²s⁻¹で行われたより低い注入フルエンスのシミュレーションとも比較された。本稿ではさらに、シミュレーションされたクラスター位相空間のサイズ(すなわち最大クラスターサイズ)、初期空孔濃度、およびバブル成長軌跡(ヘリウム原子あたりの最大空孔数)に関するXolotl予測の整合性について報告する。最後に、我々のシミュレーション結果を、ファズを生成しなかったヘリウムプラズマ実験と比較する。バブルバーストを含むXolotl予測は高フラックスのMDシミュレーションと定量的に一致する一方、10²¹ m⁻²s⁻¹のオーダーのフラックスでのプラズマ曝露実験との初期比較では、1桁以上の不一致が見られ、実際、曝露温度の変化に伴うヘリウム保持の傾向を再現することができない。Xolotlにおける初期空孔濃度とヘリウムクラスター拡散挙動を修正することで、実験観測と合理的な一致が得られるが、これらの修正の根底にある物理的説明は依然として不明である。実験的に relevant なフラックスにおけるヘリウム含有量の予測は、Xolotlに実装されたバブルバーストモデルで使用されるパラメータに対して比較的鈍感であることが示されているが、これらのパラメータはより高いフラックスではより大きな影響を及ぼす。モデリング予測と実験およびMDシミュレーション結果の両方とのより系統的な比較が、将来のXolotlにおけるバブルバーストモデルの改善につながることが期待される。