Modeling of He embrittlement of grain boundaries in alpha-Fe

alpha鉄粒界におけるHe脆化モデリング

鈴土 知明   ; 山口 正剛   ; 都留 智仁   

Suzudo, Tomoaki; Yamaguchi, Masatake; Tsuru, Tomohito

核融合炉第一壁の候補材としてフェライト/マルテンサイト鋼が挙げられているが、照射による粒界脆化が問題となっており、その原因としてHeの粒界偏析が考えられている。本研究では、He脆化の粒界性質依存性を、経験ポテンシャルと第一原理計算法の2種類の計算手法を用いて調べた。脆化の指標としては粒界を分離するのに必要な仕事量と等価である粒界凝集エネルギーを用いた。まず、低値の粒界のHe脆化について第一原理計算と経験ポテンシャルの両方を用いて粒界凝集エネルギーを計算し、経験ポテンシャルの健全性を確認した。次に、第一原理計算手法では困難な高値のものも含めて様々な粒界の脆化解析を経験ポテンシャルで行った。その結果、粒界強度の低下率は近似的に粒界偏析したHe量だけの関数になり、粒界種には大きく依存しないことがわかった。

Ferritic/Martensitic steels are candidate materials for the first wall of fusion devices. One of the concerns of these materials is the embrittlement at grain boundaries (GBs) under irradiation, and a possible cause of the embrittlement is the He segregation at GBs. We investigated the GB dependency of the He embrittlement using empirical potentials and the first principles calculations. We utilized the cohesive energy of GBs, that is, the work needed to separate a GB, as a measure of the embrittlement. First, we calculated the cohesive energy of a low GB, using both the first principles calculations and the empirical potentials, and we validated the empirical potentials. Next, we extended the analysis to various GBs. Note that the first principles calculations can be applied only to low GB because of the computational restriction. We found that the loss ratio of the GB strength with the same He concentration on GBs was almost constant over the different GBs.