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Molecular dynamics simulation of fast particle irradiation on the single crystal CeO$$_{2}$$

単結晶CeO$$_{2}$$への高速粒子照射の分子動力学シミュレーション

篠嶋 妥*; 安島 直紀*; 長田 卓也*; 石川 法人; 岩瀬 彰宏*

Sasajima, Yasushi*; Ajima, Naoki*; Osada, Takuya*; Ishikawa, Norito; Iwase, Akihiro*

高エネルギー核分裂片の通過が核燃料中の照射損傷に至るメカニズムを解明するために、蛍石型結晶であるCeO$$_{2}$$を対象とした計算シミュレーションを行った。照射に伴う原子変位プロセスは高速であり、分子動力学法による計算シミュレーションは有効な研究手法である。具体的には、高エネルギー粒子を照射したCeO$$_{2}$$単結晶について、粒子の軌跡に沿って高密度のエネルギーが付与される初期条件を想定して、数pico秒の間に結晶構造がどのように変化するのかを分子動力学法による計算シミュレーションにより調べた。付与されたエネルギーが、蛍石型結晶中の原子の運動エネルギーに変換され、sub-pico秒の間に(エネルギーを付与した領域が)アモルファス化し、さらに数pico秒後には結晶性が急速に回復するふるまいが、CeO$$_{2}$$について観測された。動径分布関数の時間依存性解析を行い、いったん短距離秩序の消失した状態(アモルファス状態)が、さらに時間が進み数pico秒後には急速に結晶回復する挙動が、動径分布関数のピークの復元の観点からも確認できた。UO$$_{2}$$の動径分布関数変化と比較すると、UO$$_{2}$$よりもCeO$$_{2}$$の方が回復の度合いが高いことが示唆された。

We used a molecular dynamics method to simulate structural relaxation caused by the high-energy-ion irradiation of single crystal CeO$$_{2}$$. As the initial condition, we assumed high thermal energy was supplied to the individual atoms within a cylindrical region of nanometer-order diameter located in the center of the single crystal. The potential proposed by Inaba et al. was utilized to calculate interactions between atoms.

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