EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟课件

报告人：杨钟时导师：罗广南研究员钨面对等离子体材料的分子动力学模拟中期报告（2009-12-09）报告人：杨钟时钨面对等离子体材料的中期报告（2009-12-2022/12/11主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/301主要内容研究背景2022/12/12主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/302主要内容研究背景2022/12/13人类能源危机与聚变能研究进展能源需求日益增大传统能源：化石燃料，存量有限，并带来严峻环境问题替代能源：太阳能、生物能、风能等产量与效率很低

裂变能：铀储量有限，核废料造成的环境和安全问题

聚变能：受控核聚变将为人类提供终极理想清洁能源ITERcutaway

BirdviewofEAST磁约束等离子体与托卡马克热核聚变装置2022/11/303人类能源危机与聚变能研究进展ITER2022/12/14聚变能领域W材料的应用钨（W）材料优良特性高熔点低物理溅射率和高溅射阈能不与氢发生化学刻蚀以及低的H滞留方便用喷涂方法进行大规模生产钨（W）材料在聚变装置中的应用ITER：第一阶段W用作偏滤器非靶板的PFM，最后实现全钨第一壁。ITER后的堆型设计：全W的PFM成为共识EAST：在3-5年实现主动冷却VPS-W/Cu-偏滤器德国ASDEX-U：已实现全W第一壁英国JET托卡马克：ITER-likeWall，W块材作为偏滤器的PFM日本九州大学QUEST球马克：将PFM升级为W涂层材料2022/11/304聚变能领域W材料的应用钨（W）材料优良2022/12/15主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进2022/11/305主要内容研究背景2022/12/16分子动力学在聚变材料中的应用材料计算模拟：与理论和实验相并列的一个新的分支分子动力学(MolecularDynamics-MD)：原理：根据量子力学等基本物理理论，建立物理模型，构造势函数，在微观的分子和原子层面上对材料进行研究，预测材料服役行为方法：建立一组粒子的运动方程，通过数值计算得到每个粒子在各时刻的坐标与动量，求得相空间的运动轨迹，并用统计方法得到系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观特性核聚变研究的极端条件与特殊性：超高温、强辐照、强磁场等极端条件下，等离子体与PFM的相互作用涉及到微观尺度和很短的时间尺度分子动力学的应用：材料表面溅射、高能粒子的射程分布、材料的内部辐照损伤，材料的熔化以及相变等2022/11/306分子动力学在聚变材料中的应用2022/12/17BOP势函数(BondOrderPotentials)BOP势：表述具有不同化学键和不同结构材料中的原子间相互作用进行Brenner势：用于不同的C或者CH系统，可描述纯C结构材料和CH分子以及键合和键断等动力学效应Z:最近邻数q:每个原子的价电子数b:健级(bondorder)Vrep(r):紧邻原子间排斥力Vatt(r):引力函数

修订Brenner势：Juslin等对的CH势进行改造，并重新计算拟合了W-W，W-C和W-H之间的参数设置，有效模拟H和CH与金属W之间的相互作用

用于包含多元材料的不同性质，如表面，缺陷，融化性质等2022/11/307BOP势函数(BondOrder2022/12/18主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/308主要内容研究背景论文的计划目标主要研究内容：采用MD方法对等离子体与W-PFM相互作用过程进行计算模拟研究低能H粒子在W表面的反射和吸附，H在W体内的俘获等C粒子在W表面的反射和吸附，体内的射程分布、沟道效应以及扩散行为等达到的目标：运用MD方法，研究H、C和W材料相互作用的物理机制W在等离子体辐照下材料本身结构与性能的变化规律及其机制了解W材料在EAST和ITER中应用的物理基础，为聚变PFM的设计和应用提供参考依据2022/12/19论文的计划目标主要研究内容：2022/11/3092022/12/110主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/3010主要内容研究背景非晶W的MD模拟2022/12/111晶态和非晶态W中的W-W对分布函数g(r)非晶胞模拟过程:初始结构：bcc晶态W元胞，密度为19.25g/cm3,三个方向施加周期性边界条件系统在300K室温下平衡10个ps后，升温至4000K在4000K融化状态下保持200ps将元胞冷却至300K，冷却速率为40K.ps-1在300K下平衡50ps第一紧邻位置和数值相似揭示非晶W的的短程有序性。第二紧邻位置偏移，更高级的近邻峰值拓展或消失揭示长程无序。非晶W的MD模拟2022/11/3011晶态和非晶态W中的模拟元胞初始化2022/12/112

表面模拟：X和Y方向施加周期性边界条件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。温控：衬底以上已经四个侧面的三个原子层内施加温控条件。初始位置：入射原子在元胞外势函数截断距离之外，非温度控制区域以上作为初始位置。随机改变原子的入射位置，进行统计。初始动能：改变原子的入射动能，研究能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种，一种是固定动能，另外一种就是载能粒子的能量服从麦克斯韦分。初始角度：改变原子入射角度，研究角度依赖关系。元胞温度：改变元胞温度，研究衬底温度依赖关系。选择模拟的步长。

两种辐照模拟：非累计型模拟和累计型模拟。模拟元胞初始化2022/11/3012表面损伤2022/12/11350个入射C原子在表面的堆积情况与入射能量的依赖关系（a)1eV(b)5eV(c)10eV(d)50eV(e)100eV(f)200eV*redballsrepresenttheCatoms

*blackonesrepresentWatoms.表面损伤：损伤程度随着入射能量的升高而增加。其表征参数为对函数分布函数。表面损伤的机理：动能释放与晶格碰撞。表面损伤2022/11/301350个入射C原子在表面的堆积表面反射2022/12/114~10eV时，能量和粒子反射在两种表面上均达到最大值。大于~10eV,反射系数单调递减，源于较高的能量，粒子更容易进入元胞内部。低于~10eV时，反射系数单调递增，源于较低的能量，粒子更容易吸附到表面。sbe（surfacebindingenergy）：8.68ev（W）；esb（projectilebindingenergy）：4.00eV（C）；1.00eV（H）粒子和(b)能量反射系数与入射能量依赖关系(Eckstein*用TRIM.SP计算的结果也一并列出)*W.Eckstein,CalculatedSputtering,ReflectionandRangeValues,IPP9/132,2002C→WH→W表面反射2022/11/3014~10eV时，能量和粒子反射射程分布2022/12/115

低于~10eV,未被散射的原子吸附在表面的几个原子层不能穿透的体胞内部在~10eV,入射原子被散射回真空的几率最大

高于~10eV,荷能粒子就有更大的几率进入的W的体内，同时平均射程分布以及射程摆动都会相应增加在50eV附近，粒子在晶态内

平均射程超越了非晶表面，其原因在于沟道效应的产生相对低能情况下：平均射程分布接近于SRIM2008的结果相对高能情况下：平均射程大于SRIM的结果，归于沟道效应C和H原子在W体内平均深度(meanrange)与入射能量的依赖关系。(Eckstein用TTRIM.SP计算的结果也一并列出)C原子在W内的射程分布和能量的依赖关系:(a)1eV,(b)5eV,(c)10eV,(d)50eV,(e)100eV.C→WH→W射程分布2022/11/3015低于~10eV,未被散沟道效应2022/12/116沟道粒子的动能和穿透深度随时间演化的示意图：C原子入射能量为150eV，其轨迹如左图所示

当入射能量为50-200eV时,在<001>晶向发生沟道效应。50fs之前，入射原子和晶格原子没有近距的碰撞，动能损失率dE/dx的值较低。50fs以后，入射粒子穿透了20个以上原子层，和晶格原子发生了剧烈的核碰撞，动能损失率增大且振幅增大，和晶格原子发连续碰撞后最终动能小于了其在晶格体内的迁移能而停留在体内。沟道轨迹示意图：C原子入射能量为150eV沟道效应2022/11/3016沟道粒子的动能和穿透深度随时点缺陷计算2022/12/117BOP(eV)Exp.-Ab.(eV)Ef-v1.692.8--5.38mono-vacancyEm-v1.31.7--2.02→1.5vacancy-migrationEf-Oh2.57---octahedralinterstitialEf-Th2.91---tetrahedralinterstitialEf-sub3.39---substitutionalEb12.352.01vacancy--1stOhEb20.041---vacancy--2ndOhEv=E((N-1)W)-(N-1)Eref(W)

（空位形成能）Eint=E(NW+C)-NEref(W)-Eref(C)（间隙原子形成能）Esub=E((N-1)W+C)-(N-1)Eref(W)-Eref(C)（替位原子形成能）Eb(V-C)=Ef(V)+Ef(C)–Ef(V-C)（结合能）

荷能粒子入射到材料表面将会导致局域晶格破坏。

空位以及点缺陷的形成是材料内部缺陷形成的基础。点缺陷计算2022/11/3017BOP(eV)Exp.间隙能计算2022/12/118体心立方W晶体中间隙原子的两种位置(A)八面体间隙(B)四面体间隙C在W中八面体间隙的形成能:2.57eVC在W中四面体间隙的形成能:2.91eV间隙C原子从八面体间隙到最近邻的八面体间隙所要越过的势垒是0.6eV对于间隙C原子最稳定的构型是占据八面体间隙位置而不是四面体间隙位置，与理论分析结果*2一致1C.H.Bennett,inDiffusioninSolids,RecentDevelopments,editedbyA.S.NowickandJ.J.Burton(Academic,NewYork,1975),p.73.

2GmelinHandbookofInorganicChemistry,8ed.,Syst.No.54,Tungsten,Suppl.Vol.A2,Spring-Verlag,Berlin,Heidelberg,NewYork,Tokyo,1987.势垒和点缺陷路径的关系示意图：间隙C原子沿八面体间隙到最近邻八面体间隙位置。势能值通过quenchedmoleculardynamics*1

方法获得。间隙能计算2022/11/3018体心立方W晶体中间隙原子的间隙原子对W结构的影响2022/12/119间隙C原子在八面体间隙位置所引起的晶格变形虚线球表示完整晶格的平衡位置实心球表示引入C原子以后的平衡位置

C和最近邻W原子之间的距离比完整晶格距离增加了0.236（⊿d1/d1），其增加方向为<100>方向。

C和最近邻W原子之间的距离比完整晶格距离减少了0.015（⊿d2/d2），其增加方向为<110>方向。

结构形变源于能量弛豫。间隙原子对W结构的影响2022/11/3019间隙C原子在八博士期间撰写论文ZhongshiYang,Q.Xu,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“MolecularDynamicsSimulationofLow-energyAtomicHydrogenonTungstenSurface”,ISFNT-9,October11-16,2009,Dalian,China,08-002,submittedtoFusionEngineeringandDesign.ZhongshiYang,W.Wan,K.Okuno,Y.Oya,G.-N.Luo,“SurfaceAnalysisofVPS-WICRF-BoronizedinHT-7”,ICFRM-14,September6-11,2009,Sapporo,Japan,00105,submittedtoJournalofNuclearMaterials.J.Wu,ZhongshiYang,Q.Li,C.-Y.Xie,G.-N.Luo,M.Matsuyama,“BIXSMeasurementsofTritiumUptakeinCandWMaterialsforEAST”,ICFRM-14,September6-11,2009,Sapporo,Japan,00185,submittedtoJournalofNuclearMaterials.ZhongshiYang,Q.Xu,JunqiLiao,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“StudyonC-Winteractionsbymoleculardynamicssimulations”,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionB,267,3144-3147(2009).ZhongshiYang,Y.M.Yang,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“Moleculardynamicssimulationsofatomiccarbonontungstensurface”,JournalofNuclearMaterials,390–391,136-139(2009).Q.Li,H.Chen,P.QI,Z.-S.Yang,

G.-N.Luo,H.–Y.Guo,“ModelingofheatdepositionontheW/CumovablelimiterinHT-7”,FusionEngineeringandDesign,doi:10.1016/j.fusengdes.2009.08.006G.-N.Luo,M.Liu,Z.Q.Kuang,X.D.Zhang,Z.S.Yang,C.G.Deng,Z.C.Zhang,J.G.Li,K.S.Zhou,“Directly-cooledVPS-W/CulimiteranditspreliminaryresultsinHT-7”,JournalofNuclearMaterials,363–365,1241-1245(2007).G.-N.Luo,X.D.Zhang,D.M.Yao,X.Z.Gong,J.L.Chen,Z.S.Yang,Q.Li,B.ShiandJ.G.Li,“Overviewofplasma-facingmaterialsandcomponentsforEAST”,PhysicaScripta,T128,1-5(2007).ZhongshiYang,HajimeShirai,TomohiroKobayashi,YasuhiroHasegawa,“SynthesisofSinanoconesusingrfmicroplasmaatatmosphericpressure”,ThinSolidFilms,

515,4153-4158(2007).博士期间撰写论文ZhongshiYang,Q.Xu,参加国际学术会议The9thInternationalSymposiumonFusionNuclearTechnology(ISFNT-9),October11-16,2009,Dalian,China,08-002,

“MolecularDynamicsSimulationofLow-energyAtomicHydrogenonTungstenSurface”.14thInternationalConferenceonFusionReactorMaterials(ICFRM-14),September6-11,2009,Sapporo,Japan,00105,

“SurfaceAnalysisofVPS-WICRF-BoronizedinHT-7”.JSPS-CASCoreUniversityProgramWorkshopsSymposiumonPWI/PFCandFusionTechnologies,October27-29，2008,Huangshan,China,O-17,“AtomisticCalculationofinteractionbetweenlow-energycarbonandtungsten”.The9thconferenceinaseriesofinternationalconferencesonComputerSimulationofRadiationEffectsinSolids(COSIRES2008),October12-17,2008,Beijing,China,P-31,“StudyonC-Winteractionsbymoleculardynamicssimulation”.18thInternationalConferenceonPlasmaSurfaceInteractions(PSI18),May26-30,2008,Toledo,Spain,P2-16,“Moleculardynamicssimulationsofatomiccarbonontungstensurface”.The9thChina-JapanSymposiumonMaterialsforAdvancedEnergySystemsandFission&FusionEngineeringjointedwithCAS-JSPSCore-universityProgramSeminaronFusionMaterials,SystemandDesignIntegration,October23-26,2007,Guilin,China,Proceedingp254-257,

“MolecularDynamicsSimulationofLow-energyAtomicHydrogenonTungstenSurface”.参加国际学术会议The9thInternational承担科研项目国家自然科学基金青年科学基金项目(2010-2012)(编号:10905070)

EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟与实验研究(负责人)中国科学院知识创新工程领域前沿项目（2008-2011）

EAST面对等离子体材料的分子动力学模拟(负责人)国家自然科学基金面上项目(2009-2011)(编号:10875148)托卡马克等离子体与钨材料表面相互作用的分子动力学模拟(骨干)国家自然科学基金海外青年合作基金项目(2008-2010)(编号:10728510)等离子体与固体相互作用(骨干)承担科研项目2022/12/123主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/3023主要内容研究背景存在问题与改进措施研究体系的扩大：增大模拟元胞的原子个数，扩大研究对象的三维尺寸。研究内容的细化：反射，吸附等物理现象和入射粒子的入射角度、衬底温度的关系；沟道效应和入射能量以及晶向取向的对应关系等。H-W相互作用的进一步研究：包括多个H原子在点缺陷处的聚集形态，表面结构对H-W相互作用的影响。2022/12/124存在问题与改进措施研究体系的扩大：增大模拟元胞的原子个数，扩Thankyou！Thankyou！报告人：杨钟时导师：罗广南研究员钨面对等离子体材料的分子动力学模拟中期报告（2009-12-09）报告人：杨钟时钨面对等离子体材料的中期报告（2009-12-2022/12/127主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/301主要内容研究背景2022/12/128主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/302主要内容研究背景2022/12/129人类能源危机与聚变能研究进展能源需求日益增大传统能源：化石燃料，存量有限，并带来严峻环境问题替代能源：太阳能、生物能、风能等产量与效率很低

裂变能：铀储量有限，核废料造成的环境和安全问题

聚变能：受控核聚变将为人类提供终极理想清洁能源ITERcutaway

BirdviewofEAST磁约束等离子体与托卡马克热核聚变装置2022/11/303人类能源危机与聚变能研究进展ITER2022/12/130聚变能领域W材料的应用钨（W）材料优良特性高熔点低物理溅射率和高溅射阈能不与氢发生化学刻蚀以及低的H滞留方便用喷涂方法进行大规模生产钨（W）材料在聚变装置中的应用ITER：第一阶段W用作偏滤器非靶板的PFM，最后实现全钨第一壁。ITER后的堆型设计：全W的PFM成为共识EAST：在3-5年实现主动冷却VPS-W/Cu-偏滤器德国ASDEX-U：已实现全W第一壁英国JET托卡马克：ITER-likeWall，W块材作为偏滤器的PFM日本九州大学QUEST球马克：将PFM升级为W涂层材料2022/11/304聚变能领域W材料的应用钨（W）材料优良2022/12/131主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进2022/11/305主要内容研究背景2022/12/132分子动力学在聚变材料中的应用材料计算模拟：与理论和实验相并列的一个新的分支分子动力学(MolecularDynamics-MD)：原理：根据量子力学等基本物理理论，建立物理模型，构造势函数，在微观的分子和原子层面上对材料进行研究，预测材料服役行为方法：建立一组粒子的运动方程，通过数值计算得到每个粒子在各时刻的坐标与动量，求得相空间的运动轨迹，并用统计方法得到系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观特性核聚变研究的极端条件与特殊性：超高温、强辐照、强磁场等极端条件下，等离子体与PFM的相互作用涉及到微观尺度和很短的时间尺度分子动力学的应用：材料表面溅射、高能粒子的射程分布、材料的内部辐照损伤，材料的熔化以及相变等2022/11/306分子动力学在聚变材料中的应用2022/12/133BOP势函数(BondOrderPotentials)BOP势：表述具有不同化学键和不同结构材料中的原子间相互作用进行Brenner势：用于不同的C或者CH系统，可描述纯C结构材料和CH分子以及键合和键断等动力学效应Z:最近邻数q:每个原子的价电子数b:健级(bondorder)Vrep(r):紧邻原子间排斥力Vatt(r):引力函数

修订Brenner势：Juslin等对的CH势进行改造，并重新计算拟合了W-W，W-C和W-H之间的参数设置，有效模拟H和CH与金属W之间的相互作用

用于包含多元材料的不同性质，如表面，缺陷，融化性质等2022/11/307BOP势函数(BondOrder2022/12/134主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/308主要内容研究背景论文的计划目标主要研究内容：采用MD方法对等离子体与W-PFM相互作用过程进行计算模拟研究低能H粒子在W表面的反射和吸附，H在W体内的俘获等C粒子在W表面的反射和吸附，体内的射程分布、沟道效应以及扩散行为等达到的目标：运用MD方法，研究H、C和W材料相互作用的物理机制W在等离子体辐照下材料本身结构与性能的变化规律及其机制了解W材料在EAST和ITER中应用的物理基础，为聚变PFM的设计和应用提供参考依据2022/12/135论文的计划目标主要研究内容：2022/11/3092022/12/136主要内容研究背景研究方法研究目标论文进展情况存在问题与改进措施2022/11/3010主要内容研究背景非晶W的MD模拟2022/12/137晶态和非晶态W中的W-W对分布函数g(r)非晶胞模拟过程:初始结构：bcc晶态W元胞，密度为19.25g/cm3,三个方向施加周期性边界条件系统在300K室温下平衡10个ps后，升温至4000K在4000K融化状态下保持200ps将元胞冷却至300K，冷却速率为40K.ps-1在300K下平衡50ps第一紧邻位置和数值相似揭示非晶W的的短程有序性。第二紧邻位置偏移，更高级的近邻峰值拓展或消失揭示长程无序。非晶W的MD模拟2022/11/3011晶态和非晶态W中的模拟元胞初始化2022/12/138

表面模拟：X和Y方向施加周期性边界条件。最底三层原子保持固定模拟为衬底。温控：衬底以上已经四个侧面的三个原子层内施加温控条件。初始位置：入射原子在元胞外势函数截断距离之外，非温度控制区域以上作为初始位置。随机改变原子的入射位置，进行统计。初始动能：改变原子的入射动能，研究能量依赖关系。入射粒子的能量分为两种，一种是固定动能，另外一种就是载能粒子的能量服从麦克斯韦分。初始角度：改变原子入射角度，研究角度依赖关系。元胞温度：改变元胞温度，研究衬底温度依赖关系。选择模拟的步长。

两种辐照模拟：非累计型模拟和累计型模拟。模拟元胞初始化2022/11/3012表面损伤2022/12/13950个入射C原子在表面的堆积情况与入射能量的依赖关系（a)1eV(b)5eV(c)10eV(d)50eV(e)100eV(f)200eV*redballsrepresenttheCatoms

*blackonesrepresentWatoms.表面损伤：损伤程度随着入射能量的升高而增加。其表征参数为对函数分布函数。表面损伤的机理：动能释放与晶格碰撞。表面损伤2022/11/301350个入射C原子在表面的堆积表面反射2022/12/140~10eV时，能量和粒子反射在两种表面上均达到最大值。大于~10eV,反射系数单调递减，源于较高的能量，粒子更容易进入元胞内部。低于~10eV时，反射系数单调递增，源于较低的能量，粒子更容易吸附到表面。sbe（surfacebindingenergy）：8.68ev（W）；esb（projectilebindingenergy）：4.00eV（C）；1.00eV（H）粒子和(b)能量反射系数与入射能量依赖关系(Eckstein*用TRIM.SP计算的结果也一并列出)*W.Eckstein,CalculatedSputtering,ReflectionandRangeValues,IPP9/132,2002C→WH→W表面反射2022/11/3014~10eV时，能量和粒子反射射程分布2022/12/141

低于~10eV,未被散射的原子吸附在表面的几个原子层不能穿透的体胞内部在~10eV,入射原子被散射回真空的几率最大

高于~10eV,荷能粒子就有更大的几率进入的W的体内，同时平均射程分布以及射程摆动都会相应增加在50eV附近，粒子在晶态内

平均射程超越了非晶表面，其原因在于沟道效应的产生相对低能情况下：平均射程分布接近于SRIM2008的结果相对高能情况下：平均射程大于SRIM的结果，归于沟道效应C和H原子在W体内平均深度(meanrange)与入射能量的依赖关系。(Eckstein用TTRIM.SP计算的结果也一并列出)C原子在W内的射程分布和能量的依赖关系:(a)1eV,(b)5eV,(c)10eV,(d)50eV,(e)100eV.C→WH→W射程分布2022/11/3015低于~10eV,未被散沟道效应2022/12/142沟道粒子的动能和穿透深度随时间演化的示意图：C原子入射能量为150eV，其轨迹如左图所示

当入射能量为50-200eV时,在<001>晶向发生沟道效应。50fs之前，入射原子和晶格原子没有近距的碰撞，动能损失率dE/dx的值较低。50fs以后，入射粒子穿透了20个以上原子层，和晶格原子发生了剧烈的核碰撞，动能损失率增大且振幅增大，和晶格原子发连续碰撞后最终动能小于了其在晶格体内的迁移能而停留在体内。沟道轨迹示意图：C原子入射能量为150eV沟道效应2022/11/3016沟道粒子的动能和穿透深度随时点缺陷计算2022/12/143BOP(eV)Exp.-Ab.(eV)Ef-v1.692.8--5.38mono-vacancyEm-v1.31.7--2.02→1.5vacancy-migrationEf-Oh2.57---octahedralinterstitialEf-Th2.91---tetrahedralinterstitialEf-sub3.39---substitutionalEb12.352.01vacancy--1stOhEb20.041---vacancy--2ndOhEv=E((N-1)W)-(N-1)Eref(W)

（空位形成能）Eint=E(NW+C)-NEref(W)-Eref(C)（间隙原子形成能）Esub=E((N-1)W+C)-(N-1)Eref(W)-Eref(C)（替位原子形成能）Eb(V-C)=Ef(V)+Ef(C)–Ef(V-C)（结合能）

荷能粒子入射到材料表面将会导致局域晶格破坏。

空位以及点缺陷的形成是材料内部缺陷形成的基础。点缺陷计算2022/11/3017BOP(eV)Exp.间隙能计算2022/12/144体心立方W晶体中间隙原子的两种位置(A)八面体间隙(B)四面体间隙C在W中八面体间隙的形成能:2.57eVC在W中四面体间隙的形成能:2.91eV间隙C原子从八面体间隙到最近邻的八面体间隙所要越过的势垒是0.6eV对于间隙C原子最稳定的构型是占据八面体间隙位置而不是四面体间隙位置，与理论分析结果*2一致1C.H.Bennett,inDiffusioninSolids,RecentDevelopments,editedbyA.S.NowickandJ.J.Burton(Academic,NewYork,1975),p.73.

2GmelinHandbookofInorganicChemistry,8ed.,Syst.No.54,Tungsten,Suppl.Vol.A2,Spring-Verlag,Berlin,Heidelberg,NewYork,Tokyo,1987.势垒和点缺陷路径的关系示意图：间隙C原子沿八面体间隙到最近邻八面体间隙位置。势能值通过quenchedmoleculardynamics*1

方法获得。间隙能计算2022/11/3018体心立方W晶体中间隙原子的间隙原子对W结构的影响2022/12/145间隙C原子在八面体间隙位置所引起的晶格变形虚线球表示完整晶格的平衡位置实心球表示引入C原子以后的平衡位置

C和最近邻W原子之间的距离比完整晶格距离增加了0.236（⊿d1/d1），其增加方向为<100>方向。

C和最近邻W原子之间的距离比完整晶格距离减少了0.015（⊿d2/d2），其增加方向为<110>方向。

结构形变源于能量弛豫。间隙原子对W结构的影响2022/11/3019间隙C原子在八博士期间撰写论文ZhongshiYang,Q.Xu,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“MolecularDynamicsSimulationofLow-energyAtomicHydrogenonTungstenSurface”,ISFNT-9,October11-16,2009,Dalian,China,08-002,submittedtoFusionEngineeringandDesign.ZhongshiYang,W.Wan,K.Okuno,Y.Oya,G.-N.Luo,“SurfaceAnalysisofVPS-WICRF-BoronizedinHT-7”,ICFRM-14,September6-11,2009,Sapporo,Japan,00105,submittedtoJournalofNuclearMaterials.J.Wu,ZhongshiYang,Q.Li,C.-Y.Xie,G.-N.Luo,M.Matsuyama,“BIXSMeasurementsofTritiumUptakeinCandWMaterialsforEAST”,ICFRM-14,September6-11,2009,Sapporo,Japan,00185,submittedtoJournalofNuclearMaterials.ZhongshiYang,Q.Xu,JunqiLiao,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“StudyonC-Winteractionsbymoleculardynamicssimulations”,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionB,267,3144-3147(2009).ZhongshiYang,Y.M.Yang,G.-H.Lu,G.-N.Luo,“Moleculardynamicssimulationsofatomiccarbonontungstensurface”,JournalofNuclearMaterials,390–391,136-139(2009).Q.Li,H.Chen,P.QI,Z.-S.Yang,

G.-N.Luo,H.–Y.Guo,“ModelingofheatdepositionontheW/CumovablelimiterinHT-7”,FusionEngineeringandDesign,doi:10.1016/j.fusengdes.2009.08.006G.-N.Luo,M.Liu,Z.Q.Kuang,X.D.Zhang,Z.S.Yang,C.G.Deng,Z.C.Zhang,J.G.Li,K.S.Zhou,“Directly-cooledVPS-W/CulimiteranditspreliminaryresultsinHT-7”,JournalofNuclearMaterials,363–365,1241-1245(2007).G.-N.Luo,X.D.Zhang,D.M.Yao,X.Z.Gong,J.L.Chen,Z.S.Yang,Q.Li,B.ShiandJ.G.Li,“Overviewofplasma-facingmaterialsandcomponentsforEAST”,PhysicaScripta,T128,1-5(2007).ZhongshiYang,HajimeShirai,TomohiroKobayashi,YasuhiroHasegawa,“SynthesisofSinanoconesusingrfmicroplasmaatatmosphericpressure”,ThinSolidFilms,

515,4153-4158(2007).博士期间撰写论文ZhongshiYang,Q.Xu,参加国际学术会议The9thInternationalSymposiumonFusionNuclearTechnology(ISFNT-9),October11-16,2009,Dalian,Ch