Эффективность генерации дефектов в каскадах атом-атомных соударений

Ю. Н. ДЕВЯТКО, А. А. ПЛЯСОВ, С. В. РОГОЖКИН

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

Эффективность генерации дефектов в каскадах

атом-атомных соударений

В рамках мезоскопической модели каскадных процессов проводится расчет числа дефектов, выживших в процессе релаксации каскада атом-атомных соударений. Обсуждается величина каскадной эффективности генерации дефектов для ряда металлов.

Расчеты повреждаемости конструкционных материалов при реакторном облучении основываются на NRT-стандарте [1, 2]. Однако точность расчетов скорости генерации дефектов, выполненных этим методом, в настоящее время недостаточна [3, 4]. В ряде работ предлагается учесть эффективность генерации дефектов в каскадах атом-атомных соударений [5, 6]. При этом используется метод молекулярной динамики (МД). Однако результаты машинного моделирования ограничены малыми временами ~ 10-10 c.

При реакторном облучении характерные энергии первично-выбитых атомов ~ 102 кэВ. Для таких энергий поврежденная область, созданная в ходе динамической стадии каскада, включает 102-103 смещенных атомов. Таким образом, область каскадного повреждения имеет размеры, достаточные для применения мезоскопического подхода [7] к описанию релаксации системы дефектов на временах, превышающих 10-13 с от момента начала каскада. Основные характеристики поврежденной области могут быть рассчитаны в рамках моделей, учитывающих законы сохранения и основные механизмы переноса энергии и вещества. Мезоскопическое описание предполагает использование известных макроскопических механизмов, учитывающих коллективные эффекты при релаксации системы. Однако коэффициенты и параметры этих механизмов должны быть определены для рассматриваемых временных и пространственных размеров.

В настоящей работе мезоскопическая модель каскадных процессов [7] применена к расчету числа дефектов, выживших при релаксации каскада. Показано, что при реакторном облучении на релаксацию каскадной области существенным образом влияет то, что по окончании динамической стадии температура решетки существенно превышает температуру электронов. Для передачи энергии от одной подсистемы к другой требуется время, за которое успевают возникнуть диффузионные токи в каскадной области, приводящие к уменьшению числа точечных дефектов вследствие их рекомбинации.

В работе был проведен анализ релаксации каскадов в железе, никеле, меди и молибдене при различных температурах. Проведены расчеты каскадной эффективности при различных энергиях первично выбитого атома. Результаты показали, что решеточная теплопроводность в начале диффузной стадии приводят к существенному уменьшению числа дефектов оставшихся в каскадной области. Полученные результаты согласуются с результатами молекулярной динамики, однако последующая релаксация приводит к увеличению числа отожженных дефектов.

Предложенный подход к описанию каскадов атом-атомных соударений обладает рядом преимуществ по сравнению с МД моделированием. Так, он не зависит от недостаточно определенных микроскопических потенциалов межатомного взаимодействия, а использует лишь мезоскопические параметры. Развитый подход позволяет определять число «выживших» дефектов на любой стадии релаксации каскада. Поэтому он может быть применен для расчета числа точечных дефектов: вакансий и междоузельных атомов, дающих вклад в повреждаемость конструкционных материалов.

К дополнительным преимуществам рассматриваемого подхода можно отнести независимость конечных результатов от деталей первой и второй стадий каскада, а также устойчивость результатов по отношению вариации начального числа дефектов в поврежденной области.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты и ).

Список литературы

1.  Robinson M. T., Torrens I. M. // Phys. Rev. B. 1974. V. 9. Р. 5008.

2.  Norgett M. J., Robinson M. T., Torrens I. M. // Nucl. Eng. and Des. 1975. V. 33. Р. 50.

3.  Ghoniem N. M. // Journal of Nuclear Materials. 1998. V. 258-263. Р. 113.

4.  , Платов физика металлов и ее приложения. М.: Интерконтакт. Наука, 20с.

5.  English C. A., Foreman A. J.E., Phythian W. J. et al. // Materials Science Forum. 1992. V. 97-99. Р. 1.

6.  Stoller R. E. // J. Nucl. Mater. 1996. V. 233-237. Р. 999.

7.  , , А, // Вопросы атомной науки и техники (сер. Материаловедение и новые материалы). 2004. Т. 1(62). С. 288.

8.  Bacon D. J., Calder A. F., Gao F. et al. // Nucl. Instrum. and Meth. B. 1995. V. 102. Р. 37.

9.  Stoller R. E. // Journal of Nuclear Materials. 2000. V. 276. Р. 22.