Multiscale modeling of helium-vacancy cluster nucleation under irradiation; A Kinetic Monte-Carlo approach

照射下におけるヘリウム空孔クラスター形成に関するマルチスケールモデリング; キネティックモンテカルロ法

鈴土 知明   ; 山口 正剛   ; 蕪木 英雄; 海老原 健一   

Suzudo, Tomoaki; Yamaguchi, Masatake; Kaburaki, Hideo; Ebihara, Kenichi

第一原理計算法とオブジェクトキネティックモンテカルロ法を組合せて、照射下におけるヘリウム空孔クラスター形成研究を行った。対象とした材料はbcc鉄及びfcc鉄であり、これらはそれぞれフェライト・マルテンサイト鋼及びオーステナイト鋼の代替材料である。第一原理計算では点欠陥に移動エネルギーやヘリウムや空孔のそれらのクラスターからの分離エネルギーを計算して、オブジェクトキネティックモンテカルロ計算の入力パラメータとした。われわれは特にヘリウム注入などの高ヘリウム生成の照射条件でのシミュレーションに注目した。そしてクラスター形成や空孔,格子間原子やヘリウム原子などの点欠陥の行き先を追跡した。その結果、カスケード内のクラスター形成を無視した場合、2つの結晶間で点欠陥の移動エネルギーが著しく異なるにもかかわらずヘリウム空孔クラスター形成については大きな違いがないことがわかった。

We applied ab initio calculation and an object kinetic Monte Carlo modeling to the study of He-vacancy cluster nucleation under irradiation in bcc and fcc Fe, which are surrogate materials for ferritic/martensitic and austenitic steels, respectively. The ab initio calculations provided parameters for the object kinetic Monte Carlo model, such as the migration energies of point defects and the dissociation energies of He and vacancy to He-vacancy clusters. We specially focused on the simulation of high He/dpa irradiation such as He-implantation into the materials and tracked the nucleation of clusters and the fate of point defects such as SIAs, vacancies, and He atoms. We found no major difference of He-vacancy cluster nucleation between bcc and fcc Fe when we ignore the intracascade clustering even if the migration energies of point defects are significantly different between the two crystals.