Nonempirical prediction of impurity segregation in -Fe from first principles

第一原理計算による鉄中の不純物の析出に関する非経験的傾向予測

都留 智仁   ; 鈴木 知史 ; 加治 芳行  ; 塚田 隆 

Tsuru, Tomohito; Suzuki, Chikashi; Kaji, Yoshiyuki; Tsukada, Takashi

原子炉圧力容器鋼の中性子照射脆化の原因として不純物元素クラスターの析出による照射硬化がある。近年の三次元アトムプローブによる観察から、従来から知られている銅だけでなくマンガン等の元素もクラスターを生じることがわかってきており、照射脆化低減の観点から不純物元素クラスターの形成傾向を予測することが重要である。そこで本研究では、その形成傾向の計算科学的予測法の検討を行った。まず、不純物元素が鉄中に固溶した二元系を仮定し、結合エネルギーの評価にBragg-Williams近似を用いて混合のエンタルピーを予測する手法を提案した。その結果、銅やマンガンは析出した状態が安定であるが、ニオブやタンタルは固溶状態が安定であるという結果を得た。また、不純物の鉄中の結合状態は第一隣接間に広がる-軌道間の相互作用に起因していることを示し、今後のモデルの高精度化によって非経験的な傾向予測が可能であることを示した。

The segregation of impurities in -Fe were investigated by first principle density functional theory calculations. The segregation tendencies of various elements observed in reactor pressure vessels were considered and the interaction characteristics between Fe and each impurity element were estimated by mean field approximation. Stable -atom impurity clusters were subsequently chosen to evaluate the changes in free energy for clustering. These calculations show that Cu and Mn impurities embedded in -Fe are more stable when they are in the segregated state. Conversely, Nb and Ta are stable in the separately solute state. The present estimates provide reliable suggestions for the segregation characteristics. We suggest that the segregation tendency is derived from the -orbital interaction and that the solubility limit is not necessarily correlated with the tendency of clustering formation.