Helium (He)-induced damage is a sensitive concern for the performance of tungsten plasma facing materials (W-PFMs). Recent experiments have revealed that trace impurities in He plasma can effectively prevent the formation of He bubbles and fuzz on W surfaces. To explore its plausibility and underlying mechanism, we performed a multiscale computational study that combines density functional theory calculations and object kinetic Monte Carlo simulations to investigate the effects of a small quantity of beryllium (Be) on the evolution of He bubbles. It is found that there is a strong attractive interaction between He and Be, which can be attributed to the decrease in electron density and the lattice distortion induced by embedded Be atoms. Therefore, the co-implantation of Be continuously introduces trapping centers for He. Due to the low implantation depth and high migration energy of Be, the Be atoms are located close to the surface, leading to the trapping of the majority of He within the near-surface region and the development of a shielding layer for He permeation. The presence of Be facilitates the dispersion of the trapped He, skewing the He clusters into smaller sizes. More importantly, the Be trapping centers bring the He clusters closer to the surface, significantly increasing the probability of bubble bursting and the release of He back to the vacuum. This ultimately leads to a lower retention of He in the case of He + Be co-irradiation, compared with the case of He-only irradiation. Consequently, our findings elucidate the suppressive effect of a low flux of Be atoms on the growth of He bubbles, highlighting the need to focus on synergetic effects between plasma species.
ヘリウム(He)誘起損傷は、タングステンプラズマ対向材料(W-PFMs)の性能にとって重要な懸念事項である。最近の実験により、Heプラズマ中の微量不純物がW表面におけるHeバブルおよびフズの形成を効果的に防ぐことができることが明らかにされている。その妥当性と背後にあるメカニズムを探るために、我々は密度汎関数理論計算とオブジェクト運動モンテカルロシミュレーションを組み合わせたマルチスケール計算研究を実施し、少量のベリリウム(Be)がHeバブルの進化に及ぼす影響を調べた。HeとBeの間には強い引力相互作用が存在し、これは埋め込まれたBe原子によって誘起される電子密度の減少と格子歪みに起因することが見いだされた。したがって、Beの共注入はHeの捕獲中心を継続的に導入する。Beの注入深さが浅く移動エネルギーが高いため、Be原子は表面近くに位置し、その結果、Heの大部分が表面近傍領域内に捕獲され、He浸透に対する遮蔽層が形成される。Beの存在は捕獲されたHeの分散を促進し、Heクラスターをより小さなサイズへと偏らせる。さらに重要なことに、Be捕獲中心はHeクラスターを表面に近づけ、バブルの破裂およびHeの真空への放出確率を有意に増加させる。これは最終的に、Heのみを照射した場合と比較して、He + Be同時照射の場合のHe保持量が低くなることにつながる。したがって、我々の知見は、低フラックスのBe原子がHeバブルの成長に及ぼす抑制効果を解明し、プラズマ種間の相乗効果に注目する必要性を強調するものである。