[논문 리뷰] 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 Setyawana외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 09.

Nuclear Materials and Properties참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고형량 동위원소 반응로(HFIR)의 PKA 스펙트럼을 반영한 중성자 조사 하에서 다결정 텅스텐의 방사선 손상에 대해 물체 기반 운동 몬테카를로(OKMC) 시뮬레이션을 사용하여 분석한다. 높은 복사선 복사율은 산화물 집합체 밀도를 증가시키지만 평균 집합체 크기와 집합체에 포함된 산소 비율을 감소시키며, 더 큰 결정립 크기는 가짜 성숙 현상으로 인해 산화물 집합체 형성에 기여한다. {110} 평면 정렬 현상은 결정립 크기나 복사율에 관계없이 관찰된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다결정 텅스텐에서 중성자 조사 조건 하에서 복사율과 결정립 크기가 결함 집합체 축적에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 고형량 동위원소 반응로(HFIR)의 대표적인 PKA 스펙트럼을 사용하여 방사선 손상을 모델링하기 위해.
• 격자 결함이 점 결함으로서의 수거 영역으로서의 격자 경계의 역할과 집합체 진화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 산화물 집합체가 {110} 평면에 정렬되는 조건을 평가하기 위해.

제안 방법

• 순수한 다결정 텅스텐에서의 결함 동역학을 모델링하기 위해 물체 기반 운동 몬테카를로(OKMC) 시뮬레이션을 사용하였다.
• 고형량 동위원소 반응로(HFIR)에 해당하는 PKA 스펙트럼을 가진 중성자 플럭스를 사용하여 주요 탄도 원자(PKA) 사건을 시뮬레이션하였다.
• 결함 진화는 1.0 dpa까지 추적되었으며, 산화물 및 자기간섭원자(SIA) 집합체 형성과 이동에 중점을 두었다.
• 결함 수거 효율성과 집합체 분포에 미치는 영향을 분석하기 위해 결정립 크기를 다양하게 조정하였다.
• 공백 격자 형성에 기여하는 1차원 이동 SIA 집합체의 역할을 평가하기 위해 1차원 확산을 모델링하였다.
• 1차원으로 이동하는 SIA 집합체의 영향을 더 잘 반영하기 위해 시뮬레이션 박스 치수 선택 방법을 개발하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HFIR 중성자 조사 조건 하에서 복사율은 텅스텐의 산화물 집합체 밀도, 평균 집합체 크기, 집합체에 포함된 산소 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다결정 텅스텐에서 결정립 크기는 산화물 및 SIA 집합체의 수밀도와 크기 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기간섭원자 집합체의 1차원 확산이 공백 격자와 같은 정렬된 결함 구조 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 주어진 조사 조건 하에서 산화물 집합체의 {110} 평면에 따른 공간 정렬은 복사율이나 결정립 크기에 의존하는가?
• RQ5 격자 경계가 산소와 SIA 집합체에 대해 얼마나 효과적인 수거 영역로 작용하는가, 그리고 이는 전체 결함 진화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 복사율이 증가함에 따라 산화물 집합체 밀도는 증가하지만 고립된 산소의 수밀도는 감소하여 높은 비율에서의 집합체 형성이 강화됨을 나타낸다.
• 복사율이 증가할수록 평균 산화물 집합체 크기와 시각적으로 관찰 가능한 집합체에 포함된 산소 비율이 감소한다. 이는 빠른 재결합과 집합체 성장 시간이 제한되기 때문이다.
• 더 큰 결정립 크기는 산소와 산화물 집합체의 수밀도를 감소시키지만, SIA 집합체 수명이 연장되고 가짜 성숙 현상이 발생함에 따라 평균 집합체 크기와 집합체에 포함된 산소 비율을 증가시킨다.
• 소형 및 대형 결정립 모두에서 산화물 집합체는 {110} 평면에 공간 정렬되어 있으며, 결정립 크기가 증가할수록 평면 간격이 증가한다.
• 자기간섭원자 집합체의 1차원 확산만으로는 공백 격자 형성이 불충분하며, 결함 구조의 안정화와 정렬을 위해 산소 확산도 필요하다.
• 본 연구는 다결정 텅스턴에서 1차원으로 이동하는 SIA 집합체의 영향을 더 잘 반영하기 위해 시뮬레이션 박스 치수 선택 방법을 제안한다.