[論文レビュー] Object Kinetic Monte Carlo Simulations of Radiation Damage in Neutron-Irradiated Tungsten Part-I: Neutron Flux with a PKA Spectrum Corresponding to the High-flux Isotope Reactor

Giridhar Nandipati, Wahyu Setyawana+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2015

Nuclear Materials and Properties参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高フラックスアイソトープ・リアクター（HFIR）に一致するPKAスペクトルを有する中性子線照射下における多結晶タングステンの放射線損傷を、オブジェクト運動モンテカルロ（OKMC）シミュレーションを用いて調査した。その結果、より高い線量率では空孔クラスタの密度が増加するが、平均クラスターサイズおよびクラスタ内空孔の割合は低下する。一方、より大きな結晶粒径では、擬似熟成に起因して空孔クラスタの形成が促進され、結晶粒径や線量率にかかわらず{110}面に沿った配列が観察された。

ABSTRACT

Object kinetic Monte Carlo simulations were performed to study the impact of varying dose rate and grain size up to a dose of 1.0 dpa in pure, polycrystalline tungsten, subjected to a neutron irradiation having a PKA spectrum corresponding to the High Flux Isotope Reactor. The present study models defect cluster accumulation in tungsten, but does not consider the impact of transmutation or pre-existing defects beyond the grain boundary sinks, with varying grain size. With increasing dose rate, the vacancy cluster density increases, while the number density of vacancies decreases. Accordingly, the average vacancy cluster size and the fraction of vacancies that are part of visible clusters decreases with increasing dose rate. With increasing grain size, both the number densities of vacancies and vacancy clusters decrease, while both the fraction of vacancies in visible clusters and the average vacancy cluster size increase. This is caused by the pseudo-ripening of the vacancy clusters due to the longer-lived self-interstitial clusters in larger grains. The spatial ordering of vacancy clusters along {110} planes was observed for both grain sizes and all dose rates studied. Interplanar spacing increases with grain size; however, no clear dependence on dose or dose rate was observed. The results of this study show that 1D diffusion of self-interstitial clusters, while necessary, is not sufficient to form a void lattice, and that the diffusion of vacancies is also required. A methodology is suggested for choosing the simulation box dimensions so as to represent more faithfully the effects of one-dimensional migrating self-interstitial-atom clusters.

研究の動機と目的

• 中性子線照射下における多結晶タングステンの欠际クラスタ蓄積に及ぼす線量率および結晶粒径の影響を調査すること。
• 高フラックスアイソトープ・リアクター（HFIR）に代表されるPKAスペクトルを用いて放射線損傷をモデル化すること。
• 格子間欠际の集積源としての格子エネルギー境界の役割と、クラスタ進化への影響を検討すること。
• {110}面に沿った空孔クラスタの配列が発現する条件を評価すること。

提案手法

• 純粋な多結晶タングステンにおける欠际ダイナミクスをモデル化するために、オブジェクト運動モンテカルロ（OKMC）シミュレーションを用いた。
• 中性子線束に、高フラックスアイソトープ・リアクター（HFIR）に対応するPKAスペクトルを用い、一次ノックオン原子（PKA）イベントをシミュレートした。
• 欠际の進化を1.0 dpaまで追跡し、空孔および自己間隙原子（SIA）クラスタの形成および移動に注目した。
• 欠际の集積効率およびクラスタ分布への影響を調査するため、結晶粒径を変化させた。
• 空孔格子の形成に果たす1次元移動SIAクラスタの役割を評価するため、1次元拡散をモデル化した。
• 1次元移動SIAクラスタの効果をよりよく再現できるように、シミュレーションボックスの寸法選定手法を開発した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HFIRの中性子線照射下におけるタングステンで、線量率が空孔クラスタ密度、平均クラスターサイズ、およびクラスタ内空孔の割合に与える影響は何か？
• RQ2 多結晶タングステンにおける結晶粒径が、空孔およびSIAクラスタの数密度およびサイズ分布に与える影響は何か？
• RQ3 1次元移動SIAクラスタの拡散が、空孔格子のような秩序ある欠际構造の形成に果たす役割は何か？
• RQ4 与えられた線照射条件下で、{110}面に沿った空孔クラスタの空間的配列は、線量率または結晶粒径に依存するか？
• RQ5 格子エネルギー境界が空孔およびSIAクラスタに対してどれほど効果的な集積源として機能するか、およびその影響が全体の欠际進化に与える影響は何か？

主な発見

• 線量率が上昇するにつれて、空孔クラスタの密度は増加するが、孤立空孔の数密度は減少し、より高い線量率でクラスタリングが促進されていることが示された。
• 線量率が上昇するにつれて、平均空孔クラスターサイズおよび可視クラスタ内空孔の割合は低下した。これは、再結合が速く進み、クラスタ成長に必要な時間が短くなったためである。
• より大きな結晶粒径では、空孔および空孔クラスタの数密度は低下するが、SIAクラスタの寿命が延び、擬似熟成が進行するため、平均クラスターサイズおよびクラスタ内空孔の割合は増加した。
• 小結晶および大結晶の両方において、空孔クラスタは{110}面に沿って空間的配列を示し、結晶粒径が大きいほど面間隔が広がった。
• 1次元移動SIAクラスタの拡散だけでは空孔格子の形成に不十分であり、空孔の拡散が欠际構造の安定化および秩序化に不可欠であることが示された。
• 本研究では、多結晶タングステンにおける1次元移動SIAクラスタの効果をよりよく捉えるためのシミュレーションボックス寸法選定手法を提案した。