Eine quantenchemische Studie von Beryllium, Wolfram und deren Legierungen

In diesem Projekt werden wir einige Materialien, die in den Wänden von Fusionsreaktoren zur Anwendung kommen, modellieren. Oberflächen, die mit heißem Plasma in Kontakt stehen, müssen harschen Bedingungen, wie etwa hohen Temperaturen, Bestrahlung durch Neutronen und Beschuss durch Ionen und Atome aus dem Plasma, standhalten. Außerdem sollten sie das Plasma möglichst wenig kontaminieren. Im ITER Reaktor wird Beryllium für die Hauptwand und Wolfram für den am stärksten belasteten Divertor verwendet. Die Oberflächen aller Materialien werden durch hochenergetische Teilchen des Plasmas langsam zerstäubt (gesputtert) und ihre Atome lagern sich an anderen Stellen wieder ab. Dadurch entstehen gemischte Materialien wie z.B. Be-W Legierungen. Außerdem werden Atome und Moleküle aus dem Plasma auf den Oberflächen adsorbiert. Wir werden fundamentale Eigenschaften dieser Oberflächen quantenmechanisch modellieren und damit ihre bisher kaum bekannten Materialeigenschaften ermitteln und ergänzen. Unsere Daten werden auch für größere Simulationen mit vereinfachten Methoden benötigt, wie etwa für solche mittels klassischer Molekulardynamik- oder Kontinuummodelle. Wir werden Dichtefunktional-Rechnungen an Oberflächen aus Beryllium, Wolfram und deren Mischungen (Be2W und Be12W als Prototypen) durchführen. Bisher waren die meisten dieser Rechnungen auf das innere von Festkörpern - ohne Oberflächen - beschränkt. Wir werden beträchtliche Computerresourcen investieren, um Oberflächenstabilität und Adsorption direkt zu modellieren. Im ersten Teil des Projekts werden wir Bindungsenergien von Oberflächenatomen veröffentlichen, welche ein Maß für den Widerstand gegen das Sputtern sind. Außerdem werden wir die Adsorption von Atomen (Be, W, C, etc.) und kleinen Molekülen (H2, N2, O2, etc.) auf den erwähnten Oberflächen untersuchen. Unsere Ergebnisse werden wichtige Entscheidungskriterien für den Bau zukünftiger Fusionsreaktoren sein, da hohe Adsorptionsenergien zu Ablagerungen führen, während Strukturen mit niedrigen Adsorptionsenergien leicht abgetragen werden können. Im zweiten Teil des Projekts verwenden wir unsere Resultate für die Konstruktion eines neuen Kraftfeldes für das Be/W/H System. Dieses Kraftfeld beruht auf dem Konzept der neuronalen Netzwerke. Mit deren Hilfe kann im Prinzip jede Funktion beliebig genau genähert werden. Sie wurden bereits erfolgreich für die Beschreibung von Materialien mit bis zu vier verschiedenen Elementen verwendet. Unsere Kraftfeldparameter können dann in Folgeprojekten oder von anderen Gruppen zur genauen Simulation von Oberflächen-Sputtering oder Tritium Einlagerung verwendet werden. Wir werden eng mit Experimentalphysikern zusammenarbeiten, die die Zerstäubung von Oberflächen und rastertunnelmikroskopische Experimentean Wolfram-und Berylliumoberflächen durchführen.Unsere quantenchemischen Rechnungen werden auch durch molekulardynamische Simulationen von uns selbst und von anderen Kollegen ergänzt werden.

Wenn ein Teilchen, zum Beispiel ein Atom, mit einer gewissen Geschwindigkeit auf eine Oberfläche trifft, kann das verschiedene Prozesse auslösen. Man kann dabei an den Einschlag eines Metroriten auf die Erdoberfläche denken: Material kann herausgeschleudert werden, die Oberfläche kann schmelzen oder sich auf andere Weise verändern, zum Beispiel durch Kraterbildung. Im Falle eines auf eine Materialoberfläche auftreffenden Atoms bezeichnet man das 'Herausschießen' von Oberflächenteilchen als 'sputtering', die Oberfläche wird also 'zerstäubt'. Auch andere Prozesse, bei denen das auftreffende Atom z.B. reflektiert oder adsorbiert wird, verändern die Oberfläche und können sie zerstören. Besonders die Materialien der Wände von zukünftigen Fusionsreaktoren müssen extrem heißen Plasmen standhalten und dies experimentell auszutesten ist schwierig und teuer. Wir haben eine rechnerische Methode entwickelt, die unter Zuhilfenahme neuer Algorithmen des 'machine learning' die auf solche Oberflächen auftretenden Wechselwirkungen in einem neuronalen Netz speichert. Danach können die relevanten Prozesse mit Hilfe von molekulardynamischen Simulationen sehr schnell untersucht werden. Dies ist wichtig, um den Einfluss von Material, Temperatur usw. auf die Haltbarkeit der Oberflächen und damit des Reaktors abzuschätzen. Auf diese Weise liefern wir auch einen Beitrag zum Gebiet der theoretischen Materialwissenschaft, einer Schlüsseldisziplin für die Entwicklung hochtechnologischer Produkte und der Digitalisierung ihrer Prozesse.