Meso-timescale atomistic simulations on coalescence process of He bubbles in Fe by SEAKMC method

メソタイムスケール原子論的シミュレーションによる鉄中ヘリウムバブルの融合過程のSEAKMC法による解析

山本 耀二郎*; 早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋  

Yamamoto, Yojiro*; Hayakawa, Sho*; Okita, Taira*; Itakura, Mitsuhiro

ヘリウムバブルは、核融合炉条件下で生成する特有の微細構造である。これらのバブルは、自らの移動によって接近・融合し、微細構造や材料特性に大きな影響を与える。しかし複数の金属原子の移動が含まれるこれらのプロセスは、分子動力学(MD)では時間スケールの制約から扱うことができない。この研究では、自己発展原子論的キネティックモンテカルロ(SEAKMC)法により時間スケールを拡張し、Fe中のバブルの融合過程を再現した。He原子の微小な振動やFe原子の短距離変位など、活性化エネルギーが極めて低い些細なイベントを避けるため、SEAKMCに2つのアルゴリズムを導入した。He原子の微小な振動を回避するために二段階のサドルポイント検索を行い、Fe原子の短距離変位を避けるためにFe原子の変位距離に対する閾値を設定した。さらに、活性化エネルギーの上限を設定する別のアルゴリズムを追加することで、非現実的に高い活性化エネルギーを持つイベントの選択を防ぎ、MDの時間尺度よりも8桁長い秒までのシミュレーション時間において、ダンベルから楕円形への構造の変化を再現することに成功した。開発された手法は、軽元素を含む金属材料の微細構造を分析するのに効果的であり、実験と比較可能な時間スケールに到達できる唯一の手法である。

He bubbles are characteristic microstructures under fusion reactor conditions. They approach and coalesce through their own migration, which significantly impacts the microstructure and material properties. However, these processes, which involve multiple migrations of metal atoms, cannot be treated by molecular dynamics (MD) due to its timescale limitation. In this study, self-evolving atomistic kinetic Monte Carlo (SEAKMC) was used to expand the timescale and reproduce bubble coalescences in Fe. To enhance selections of events that led to the process by avoiding trivial events with an extremely low activation energy such as tiny vibrations of a He atom or short-range displacements of the Fe atom, we introduced two algorithms into SEAKMC, a two-step saddle point search for the former measure and setting a threshold for a displacement distance of the Fe atom for the latter. Furthermore, by adding another algorithm to set an upper bound for the activation energy to prevent selections of events with an impractically high activation energy, we succeeded to reproduce the change in the configuration from dumbbell to elliptical up to a simulated time of s, 8 orders longer than MD timescales. The developed method is effective for analyzing microstructures of metallic materials containing light elements and is the only method that can reach timescales comparable to those of experiments.