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Quantum-thermal crossover of hydrogen and tritium diffusion in $$alpha$$-iron

$$alpha$$鉄中の水素及び三重水素の拡散における量子-古典クロスオーバー

吉川 武宏*; 高柳 敏幸*; 君塚 肇*; 志賀 基之

Yoshikawa, Takehiro*; Takayanagi, Toshiyuki*; Kimizuka, Hajime*; Shiga, Motoyuki

炉鋼材等の構造材料中を拡散する水素やその他の軽元素の挙動を知ることは、経年変化を評価するうえで重要な基礎的知見となり、計算機シミュレーションによる研究進展が期待されている。本発表では、分子シミュレーション法により、プロトンとトリチウムの$$alpha$$鉄における拡散係数を100-1000Kの温度範囲で計算した成果を報告する。原子間相互作用にはEAMポテンシャルを利用し、近似的な量子動力学法であるセントロイド分子動力学法及びリングポリマー分子動力学法を用いて、量子トンネル効果を適切に考慮した。また、拡散経路について、経路積分分子動力学法に基づいた量子的遷移状態理論による解析を行った。プロトン拡散は500K、トリチウム拡散は300Kを境に熱的拡散から量子拡散へのクロスオーバーが見られた。トリチウムの拡散速度やそのメカニズムについては実験データが少ないため、このような分子シミュレーションによる予測は有効であると考えられる。

The diffusion coefficients of hydrogen (H) and tritium (T) in $$alpha$$-Fe have been computed using two approximate quantum dynamical techniques, i.e. centroid molecular dynamics (CMD) and ring polymer molecular dynamics (RPMD), in the temperature range of T = 100-1000 K using the embedded-atom-method (EAM) potential. It has been found that the RPMD and CMD methods give very similar results. From a further analysis based on quantum transition state theory (centroid density QTST) combined with path integral molecular dynamics (PIMD), it has been clear that there is a crossover between thermal and quantum mechanisms at about T = 500 K and 300 K for H and T diffusions, respectively. The importance of nuclear quantum effects at low temperatures has been illustrated in terms of the effective free energy surface map.

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パーセンタイル:64.03

分野:Chemistry, Physical

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