Simulation for temperature dependence of irradiation-induced grain-boundary phosphorus segregation using first-principles-based rate theory model

第一原理計算に基づくレート理論モデルを用いた照射誘起粒界リン偏析の温度依存性のシミュレーション

海老原 健一   ; 鈴土 知明   ; 山口 正剛   ; 西山 裕孝 

Ebihara, Kenichi; Suzudo, Tomoaki; Yamaguchi, Masatake; Nishiyama, Yutaka

リンによる粒界脆化は照射下での鉄鋼材料において大きな問題であることから、原子力構造材料の健全性を保つため、リン粒界偏析の評価予測が必要である。近年、第一原理計算で得られた障壁エネルギーを組み入れたキネティックモンテカルロから導出した、空孔がリンを引きずる空孔ドラッグ効果を含む部分拡散係数を組み入れた拡散レートモデルが、原子炉圧力容器鋼における照射誘起リン粒界偏析の評価に適用されている。空孔量は温度に影響されることから、本研究では、照射誘起リン粒界偏析の温度依存性をモデルによって評価した。結果として、既存のマクリーン拡散モデルが予測する高温領域におけるリン粒界偏析量の増加を、従来モデルは再現できなかったが、粒界におけるリンの捕獲及び放出過程を組み入れたモデルでは、高温領域におけるリン粒界偏析の増加を計算できることが分かった。このことから、温度依存性の評価には、従来組み入れられていなかった粒界でのリンの捕獲・放出過程が要因となっていることが明らかとなった。

Since grain-boundary (GB) embrittlement by phosphorus (P) under irradiation is a crucial problem in steels, it is necessary to evaluate irradiation-induced P GB segregation in order to secure the integrity of nuclear structural materials. Recently, partial diffusion coefficients including the vacancy (V) drag effect, which are obtained by the kinetic Monte Carlo method incorporating the barrier energy estimated by the first-principles calculation, are built into the diffusion rate model, and the model is applied to the evaluation of the P GB segregation. Since the amount of V is affected by temperature, we evaluated the P GB segregation by the model. As a result, although the model could not simulate the increase of P GB segregation in the high temperature region which is shown by the McLean's diffusion model, the model incorporating the process of capturing and releasing P at GB simulated the increase. Hence, such a process is significant for simulating the temperature dependence.