マルチハイブリッド計算の発展によるプラズマ照射と長時間構造緩和の競争機構の解明

プラズマと壁の相互作用を正しく理解するためには、プラズマ粒子の入射頻度と固体物質内部の現象との間で生じる競争現象を真面目に議論する必要がある。このような複数の現象の競争は時間スケールの違いによって生じるため、現実と同様の時間スケールで物事を記述する必要がある。またそれはプラズマと固体の極端な密度差に由来している。この問題に真正面から取り組むため、我々は空間スケールをミクロに留めたまま、時間スケールに関してだけを粗視化してマクロへ繋ぐ計算手法を考案して、原子レベルの計算で秒に届く現象の再現を行うことを目指している。本研究においては、材料表面及び内部における原子の拡散移動や構造変化を長時間にわたって解くオンザフライ動的モンテカルロ(KMC)コードFlyAMの開発を行っている。昨年度には千日手の除外法を開発し、物理的にトリビアルな振動イベントの発生を抑えることで、到達できる時間スケールを大きく向上させた。しかしながら、本年度の研究において、核融合条件下で生成されるタングステンダイバータ表面のナノ構造が高温で消失する様子を上手く再現できないという新たな課題が見つかった。その原因として、高温時の原子のゆらぎにより原子の感じる移動障壁エネルギーが実効的に低下する効果に着目した。そこで、オンザフライKMCのうち、局所分子動力学(MD)による移動障壁エネルギーの算出の部分において、ジャルジンスキー等式を利用することで自由エネルギーの障壁を求める計算手法を開発した。移動障壁エネルギーから自由エネルギーの障壁に替わることで、有限温度でのゆらぎの効果が考慮されたことになる。実際に有限温度効果(ゆらぎの効果)を入れたオンザフライKMC計算を行ったところ、ナノ構造が高温で消失する様子を上手く再現することができた。本成果については年度末の国際会議ISPLASMA2022にて発表を行った。

プラズマと壁の相互作用を正しく理解するためには、プラズマ粒子の入射頻度と固体物質内部の現象との間で生じる競争現象を真面目に議論する必要がある。このような複数の現象の競争は時間スケールの違いによって生じるため、現実と同様の時間スケールで物事を記述する必要がある。またそれはプラズマと固体の極端な密度差に由来している。この問題に真正面から取り組むため、我々は空間スケールをミクロに留めたまま、時間スケールに関してだけを粗視化してマクロへ繋ぐ計算手法を考案して、原子レベルの計算で秒に届く現象の再現を行うことを目指している。本研究においては、材料表面及び内部における原子の拡散移動や構造変化を長時間にわたって解くオンザフライ動的モンテカルロ(KMC)コードFlyAMの開発を行っている。昨年度には千日手の除外法を開発し、物理的にトリビアルな振動イベントの発生を抑えることで、到達できる時間スケールを大きく向上させた。しかしながら、本年度の研究において、核融合条件下で生成されるタングステンダイバータ表面のナノ構造が高温で消失する様子を上手く再現できないという新たな課題が見つかった。その原因として、高温時の原子のゆらぎにより原子の感じる移動障壁エネルギーが実効的に低下する効果に着目した。そこで、オンザフライKMCのうち、局所分子動力学(MD)による移動障壁エネルギーの算出の部分において、ジャルジンスキー等式を利用することで自由エネルギーの障壁を求める計算手法を開発した。移動障壁エネルギーから自由エネルギーの障壁に替わることで、有限温度でのゆらぎの効果が考慮されたことになる。実際に有限温度効果(ゆらぎの効果)を入れたオンザフライKMC計算を行ったところ、ナノ構造が高温で消失する様子を上手く再現することができた。本成果については年度末の国際会議ISPLASMA2022にて発表を行った。