Dopady vysoké rychlosti na wolfram: Studie molekulární dynamiky

Abstract

Životnost a výkonnost komponentů obrácených k plazmatu (PFC) v fúzních reaktorech jsou kriticky ohroženy srážkami s vysokorychlostním wolframovým (W) prachem, zejména během přechodných jevů, jako jsou disrupce a ukončení runaway elektronů. Tyto srážky mohou urychlit prachové částice na rychlosti v rozmezí od 0,5 km/s v současných zařízeních až po několik kilometrů za sekundu v pokročilých reaktorech, jako jsou ITER a DEMO, což vede k významné erozi materiálu, degradaci povrchu a potenciálnímu selhání PFC. V tomto doktorském výzkumu používáme rozsáhlé paralelní simulace molekulární dynamiky (MD) zahrnující až 300 milionů atomů k prozkoumání atomistických mechanismů iniciace poškození během vysokorychlostních dopadů (až 9 km/s) W projektilů na W povrchy. Studie systematicky zkoumá širokou škálu rychlostí prachu, úhlů dopadu (0° až 75°) a teplot terče (300 až 3000 K) a vyhodnocuje jejich vliv na materiály obrácené k plazmatu (PFM) - konkrétně W s různými krystalovými orientacemi -s cílem replikovat extrémní provozní podmínky fúzních reaktorů. Naše zjištění ukazují, že vysokorychlostní dopady indukují silnou plastickou deformaci, fragmentaci a tavení v projektilu i cílovém materiálu. Vymezujeme různé fáze procesu penetrace prostřednictvím komplexních analýz hloubky implantace, morfologie a objemu kráteru, výtěžků rozprašování a vývoje dislokační sítě. Zejména pozorujeme, že objem kráteru se lineárně škáluje s kinetickou energií impaktoru a celková délka dislokací se zvyšuje s kinetickou energií, v závislosti na velikosti impaktoru, ale zůstává nezávislá na zvoleném interatomárním potenciálu. Studie dále ukazuje, že úhel dopadu a teplota terče jsou klíčové pro určení geometrie kráteru a distribuce vyvrženého materiálu, což zdůrazňuje jejich kritickou roli v dynamice interakcí prach-stěna. Vyvíjíme komplexní model poškození, syntetizovaný z experimentálních pozorování a simulačních dat, který objasňuje základní vzorce a mechanismy poškození způsobeného dopady prachu. Tento model významně zlepšuje naše chápání interakcí prach-stěna a zavádí MD simulace jako robustní nástroj pro zkoumání takových jevů za extrémních podmínek, které jsou vlastní fúzním zařízením. Celkově tento výzkum poskytuje kritické poznatky na atomové úrovni o dynamice dopadu prachu a představuje významný pokrok v oblasti zlepšování odolnosti a výkonnosti materiálů používaných v technologiích fúzní energie.The longevity and performance of plasma-facing components (PFCs) in fusion reactors are critically challenged by high-velocity tungsten (W) dust collisions, particularly during transient events such as disruptions and runaway electron terminations. These collisions can propel dust particles at velocities ranging from 0.5km/s in current devices to several kilometers per second in advanced reactors like ITER and DEMO, leading to significant material erosion, surface degradation, and potential failure of PFCs. In this doctoral research, we employ large-scale parallel molecular dynamics (MD) simulations involving up to 300 million atoms to investigate the atomistic mechanisms of damage initiation during high-velocity impacts (up to 9km/s) of W projectiles on W surfaces. The study systematically explores a wide range of dust velocities, impact angles (0° to 75°), and target temperatures (300 to 3000K), evaluating their effects on plasma-facing materials (PFMs)specifically W with various crystal orientationsto replicate the extreme operational conditions of fusion reactors. Our findings reveal that high-velocity impacts induce severe plastic deformation, fragmentation, and melting in both the projectile and target materials. We delineate distinct stages of the penetration process through comprehensive analyses of implantation depth, crater morphology and volume, sputtering yields, and dislocation network evolution. Notably, we observe that crater volume scales linearly with the kinetic energy of the impactor, and the total dislocation length increases with kinetic energy, contingent upon the impactor size but remaining independent of the chosen interatomic potential. Furthermore, the study demonstrates that impact angle and target temperature are pivotal in determining crater geometry and ejecta distribution, underscoring their critical roles in the dynamics of dust-wall interactions. We develop a comprehensive damage model, synthesized from both experimental observations and simulation data, which elucidates the underlying patterns and mechanisms of damage induced by dust impacts. This model significantly enhances our understanding of dust-wall interactions and establishes MD simulations as a robust tool for probing such phenomena under the extreme conditions inherent in fusion devices. Overall, this research provides critical atomic-level insights into dust impact dynamics, representing a significant advancement in enhancing the durability and performance of materials employed in fusion energy technologies.