Molecular Dynamics Based Surface Model for the Impurity Transport Code ERO

Abstract

Fuusioenergian suurimmat haasteet liittyvät plasman ja tyhjiökammion seinämien välisiin vuorovaikutuksiin. Plasman aikaansaama pintaeroosio, materiaalien kulkeutuminen ja vedyn ja epäpuhtauksien kerrostuminen seinämille muuttavat sekä pintojen rakennetta että ominaisuuksia, millä saattaa olla arvaamattomia seurauksia.

Erityisesti eri alkuaineiden sekoittuessa keskenään tuloksena voi olla yhdisteitä, joiden ominaisuudet poikkeavat suuresti alkuperäisten materiaalien ominaisuuksista. Näiden sekamateriaalien syntymekanismi on osittain tuntematon, eikä niiden kaikkia ominaisuuksia tunneta. On kuitenkin lähes varmaa, että ITERin kaltaisessa fuusioreaktorissa yhdisteitä muodostuu merkittäviä määriä ja että niiden vaikutus laitteen toimintaan ja käyttöön on erittäin suuri. Tästä syystä fuusioreaktorissa muodostuvien yhdisteiden ominaisuuksien ja syntymekanismin selvittäminen on äärimmäisen tärkeää.

Fuusioreaktorissa syntyvien materiaalien tutkimiseksi kahden simulointikoodin - ERO:n ja HCPARCAS:n - yhteenliittäminen on aloitettu. Yhdistetyllä koodilla voidaan simuloida plasma-seinämävuorovaikutuksia toisaalta atomitason kemiallisina vuorovaikutuksina, toisaalta makroskooppisina ilmiöinä. Tämän työn puitteissa ERO-koodille on luotu molekyylidynaaminen vuorovaikutusmalli, johon kuuluvat numeeriset pinta-alkiot on tehty simuloimalla amorfisia hiilivetyrakenteita HCPARCAS-koodilla. Pintojen luomismenetelmää on kehitetty, minkä ansiosta niiden tekemiseen kuluva aika on pudonnut murto-osaan alkuperäisestä. Pintojen lisäksi on luotu plasmaa kuvaavia hiilivetyammuksia, ja näiden vuorovaikutuksia seinämän kanssa on alustavasti simuloitu.

Koodien yhdistäminen viimeistellään lähitulevaisuudessa. Tiedossa on useita tutkimuskohteita, joihin yhdistettyä koodia voidaan käyttää. Yhdisteiden muodostumisen lisäksi esimerkiksi hiilivetyjen kemialliseen eroosioon ja kerrostumiseen seinämille liittyy useita avoimia kysymyksiä, joiden selvittämiseen ERO molekyylidynaamisella pintamallilla varustettuna on erinomainen työkalu.