In our previous work, we have demonstrated using nonequilibrium molecular-dynamics simulations that the fluxes of helium and self-interstitial atoms in the presence of a thermal gradient in tungsten are directed opposite to the heat flux, indicating that species transport is governed by a Soret effect, namely, thermal-gradient-driven diffusion, characterized by a negative heat of transport that drives species transport uphill, i.e. from the cooler to the hot regions of the tungsten sample. In this work, the findings of our thermal and species transport analysis have been implemented in our cluster-dynamics code, Xolotl, which has been used to compute temperature and species profiles over spatiotemporal scales representative of plasma-facing component (PFC) tungsten under typical reactor operating conditions, including extreme heat loads at the plasma-facing surface characteristic of plasma instabilities that induce edge localized modes (ELMs). We demonstrate that the steady-state species profiles, when properly accounting for the Soret effect, vary significantly from those where temperature-gradient-driven transport is not accounted for and discuss the implications of such a Soret effect on the response to plasma exposure of plasma-facing tungsten. Although our cluster-dynamics simulations do not yet include self-clustering of helium or hydrogen blister formation, our simulation results show that the Soret effect substantially reduces helium and hydrogenic species retention inside PFC tungsten.
以前の研究では、非平衡分子動力学シミュレーションを用いて、タングステン中の熱勾配の存在下でのヘリウムと自己格子間原子のフラックスが熱流束と反対方向に向かうことを実証した。これは、種輸送がソーレ効果、すなわち熱勾配駆動拡散によって支配されていることを示しており、負の輸送熱によって特徴づけられ、種輸送を uphill（すなわち、タングステン試料の低温領域から高温領域へ）に駆動する。本研究では、我々の熱および種輸送析の知見を、我々のクラスターダイナミクスコードである Xolotl に実装した。Xolotl は、典型的な原子炉運転条件下、すなわち、周辺局在モード（ELMs）を誘発するプラズマ不安定性に特徴的なプラズマ対向表面での極端な熱負荷を含む条件下での、プラズマ対向コンポーネント（PFC）タングステンを代表する時空間スケールにわたって温度および種プロファイルを計算するために使用された。我々は、ソーレ効果を適切に考慮した場合の定常状態の種プロファイルが、温度勾配駆動輸送を考慮しない場合のプロファイルと大きく異なることを実証し、そのようなソーレ効果がプラズマ対向タングステンのプラズマ曝露応答に及ぼす影響について考察する。我々のクラスターダイナミクスシミュレーションは、ヘリウムの自己クラスタリングや水素ブリスター形成をまだ含んでいないが、シミュレーション結果は、ソーレ効果がPFCタングステン内部のヘリウムおよび水素系種の保持を大幅に低減することを示している。