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論文

Construction of machine-learning Zr interatomic potentials for identifying the formation process of c-type dislocation loops

沖田 泰良*; 寺山 怜志*; 津川 聖人*; 小林 恵太; 奥村 雅彦; 板倉 充洋; 鈴木 克幸*

Computational Materials Science, 202, p.110865_1 - 110865_9, 2022/02

In this study, a Neural Network Potential (NNP) using an Artificial Neural Network (ANN) was developed for Zr, which is used as fuel cladding material in light water reactors. The reference data were obtained through first-principles calculations of various quantities, such as strained hexagonal-closed-packed (hcp) cells, strained face-centered cubic cells, cells containing a vacancy, several vacancies, and surfaces and $$gamma$$-surface energy on all five slip planes in the hcp structures. These data were converted to training data for the ANN, which were invariant to the rotation and translation of the atoms and independent of the number of atoms in the cells. The ANN was defined as a three-layer structure and the number of the nodes was set to 26-12-18-1. The NNP reproduced the first-principles calculations, particularly for the shear deformation, vacancy formation energy, surface energy, and $$gamma$$-surface energy, with much higher accuracy than any of the existing potentials that have been developed for classical molecular dynamics simulations. The NNP was applied to identify the formation process of c-type dislocation loops in Zr, which is a key microstructure responsible for abrupt increases in hydrogen absorption. The formation process was determined by the balance of the vacancy formation energy, surface energy and the $$gamma$$-surface energy on the basal plane, both of which were precisely reproduced only by the NNP developed in this study. The formation process was identified based on the atomistic behavior of the NNP.

論文

Molecular dynamic simulations evaluating the effect of the stacking fault energy on defect formations in face-centered cubic metals subjected to high-energy particle irradiation

寺山 怜志*; 岩瀬 祐樹*; 早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 鈴木 克幸*

Computational Materials Science, 195, p.110479_1 - 110479_12, 2021/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

Austenitic stainless steels, which are used as incore structural materials in light water reactors, are characterized by an extremely low stacking fault energy (SFE) among face-centered cubic (FCC) metals. To evaluate the effects of SFE on defect formation under high-energy particle irradiation, molecular dynamics simulations were performed using the interatomic potential sets for FCC metals with different SFEs and a primary knock-on atom energy (E$$_{rm PKA}$$) of 100 keV at 600 K. The results show that the number of residual defects is independent of the SFE. However, the characteristics of self-interstitial atom (SIA) clusters do depend on the SFE. For clusters smaller than a certain size, the ratio of glissile SIA clusters decreases as the SFE increases, which is similar to the trend observed at the low E$$_{rm PKA}$$. However, for larger clusters, which can be detected only at a high E$$_{rm PKA}$$, the ratio of glissile clusters increases. These results correspond to static energy calculations, in which the difference in the formation energy between a Frank loop and perfect loop ($$Delta$$E$$_{rm F-P}$$) for the small clusters decreases as the SFE increases. In contrast, for the larger clusters, the SFE dependence of $$Delta$$E$$_{rm F-P}$$ changes due to the shape restrictions of stable perfect loops. At a high temperature of 600 K, large vacancy clusters with stacking faults can be detected at E$$_{rm PKA}$$ = 100 keV, resulting in the enhanced formation of these clusters at lower SFEs. Furthermore, several of these clusters were similar to perfect loops, with the edges split into two partial dislocations with stacking faults, although the largest clusters detected at low E$$_{rm PKA}$$s were similar to stacking fault tetrahedrons.

論文

Screw dislocation-spherical void interactions in fcc metals and their dependence on stacking fault energy

早川 頌*; 土井原 康平*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 愛知 正温*; 鈴木 克幸*

Journal of Materials Science, 54(17), p.11509 - 11525, 2019/09

 被引用回数:6 パーセンタイル:50.98(Materials Science, Multidisciplinary)

We performed molecular dynamics simulations to evaluate the effects of stacking fault energy (SFE) on interactions between a screw dislocation and spherical voids in face-centered cubic (fcc) metals. It was observed that the frequency of the cross-slips is a critical factor affecting the interaction, with primarily three different interaction morphologies being observed: (1) the two partial dislocations detach from the void independently with a time lag, (2) the two partial dislocations detach from the void almost simultaneously on a single slip plane, and (3) the two partial dislocations detach from the void almost simultaneously while involving more than one cross-slip and a jog formation. The magnitude of the critical resolved shear stress (CRSS) increases in the order mentioned above. The CRSS values for interaction morphology (2), which was observed most frequently in this study, were in good agreement with those predicted analytically by adjusting the parameters dependent on the SFE. Based on the obtained results, we discussed the applicability of the analytical model for void hardening in fcc metals. The results of this work contribute significantly to the modeling of mechanical property degradation in irradiated metals.

論文

Atomistic simulations for the effects of stacking fault energy on defect formations by displacement cascades in FCC metals under Poisson's deformation

早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 川畑 友弥*; 鈴木 克幸*

Journal of Materials Science, 54(16), p.11096 - 11110, 2019/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.74(Materials Science, Multidisciplinary)

We performed molecular dynamics simulations of displacement cascades in FCC metals under Poisson's deformation using interatomic potentials differing in stacking fault energy (SFE), in order to investigate the effect of tensile strain on the SFE dependence of defect formation processes. There was no clear SFE dependence of the number of residual defects and the size distribution of defect clusters under both no strain and the applied strain, while the strain enhanced the defect formation to a certain extent. We also observed that the strain affected the formations of self-interstitial atom (SIA) clusters depending on their size and the Burgers vector. These results were consistent with the analysis based on the defect formation energies. Meanwhile, the number of SIA perfect loops was higher at lower SFE under both no strain and the applied strain, leading to an increase in the ratio of glissile SIA clusters with a decrease in SFE. Further, the absolute number of SIA perfect loops was increased by the applied strain, while the SFE dependence of the number of SIA perfect loops was not affected. These findings were associated with the difference in formation energy between an SIA perfect loop and an SIA Frank loop. The insights extracted from this study significantly contribute to the modeling of microstructural evolution in nuclear materials under irradiation, especially for low SFE metals such as austenitic stainless steels.

論文

Effects of stacking fault energies on formation of irradiation-induced defects at various temperatures in face-centred cubic metals

中西 大貴*; 川畑 友弥*; 土井原 康平*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 鈴木 克幸*

Philosophical Magazine, 98(33), p.3034 - 3047, 2018/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:36.14(Materials Science, Multidisciplinary)

原子炉内部で使用されるオーステナイト鋼は積層欠陥エネルギーが低いことで知られ、そのため積層欠陥を伴う照射欠陥クラスタが大きくなることが予想される。この傾向を定量評価するため、FCC金属のモデルポテンシャルにおいて積層欠陥エネルギーだけを変化させたものを用い照射欠陥生成の分子動力学シミュレーションを様々な温度において実行し、生成した照射欠陥クラスタの種類と数を調べた。その結果移動可能な格子間原子クラスタの生成数が積層欠陥エネルギーとともに大きく変化することが見出された。

論文

Interactions between clusters of self-interstitial atoms via a conservative climb in BCC-Fe

早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 愛知 正温*; 鈴木 克幸*

Philosophical Magazine, 98(25), p.2311 - 2325, 2018/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.45(Materials Science, Multidisciplinary)

BCC鉄における格子間原子クラスタは容易方向へのすべり運動とは別に垂直方向への保存的上昇運動を行い、これにより三次元的な運動を行う。この拡散の三次元性は転位への吸収確率に大きく影響し、材料のスエリングなどの照射劣化挙動を左右する。この保存的上昇運動を分子動力学計算とモンテカルロ計算を組み合わせた手法で解析し、移動障壁エネルギーを評価したところ、従来の弾性理論により予想されていた値よりはるかに大きい値が得られた。

論文

Atomic simulations to evaluate effects of stacking fault energy on interactions between edge dislocation and spherical void in face-centred cubic metals

土井原 康平*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 愛知 正温*; 鈴木 克幸*

Philosophical Magazine, 98(22), p.2061 - 2076, 2018/05

 被引用回数:9 パーセンタイル:63.65(Materials Science, Multidisciplinary)

原子炉材料、特に炉内構造材のオーステナイトの照射脆化を評価する際に、オーステナイトの特徴である低い積層欠陥エネルギーの影響を評価する必要がある。本研究では積層欠陥エネルギーだけを変化させたFCC金属のモデルポテンシャルを用いて転位とボイドの相互作用形態を評価し、ボイドの大きさと積層欠陥エネルギーの値によって様々な相互作用形態があることを見出した。

論文

材料挙動と計算機シミュレーションの接点,2; 原子力材料の分子シミュレーション; 現状と展望

沖田 泰良*; 板倉 充洋

日本原子力学会誌ATOMO$$Sigma$$, 59(12), p.712 - 716, 2017/12

原子力材料の照射下特性変化を原子スケールの現象に基づいてモデル化する分子シミュレーションは、極短時間・極微小スケールの現象を定量化・解明・再現するため、幅広く用いられるようになってきた。本稿では、(1)分子動力学法を用いた高速中性子との弾性衝突に伴う結晶欠陥形成過程の定量化、(2)分子動力学法を用いた結晶欠陥集合体-転位接触による転位チャネリング形成過程の解明、(3)分子動力学-キネッティックモンテカルロ融合法を用いた結晶欠陥集合体の3次元的運動・転位へ吸収される過程の再現、に関して近年の研究進展を紹介する。

論文

The Effect of stacking fault energy on interactions between an edge dislocation and a spherical void by molecular dynamics simulations

浅利 圭亮*; Hetland, O. S.*; 藤田 智*; 板倉 充洋; 沖田 泰良*

Journal of Nuclear Materials, 442(1), p.360 - 364, 2013/11

 被引用回数:12 パーセンタイル:73.42(Materials Science, Multidisciplinary)

炉内構造材料であるオーステナイトについて、その特徴である低い積層欠陥エネルギーが照射脆化にどう影響するかを調べるため、積層欠陥エネルギーの異なる分子動力学ポテンシャルを用いて照射欠陥による脆化への影響を調べた。その結果、積層欠陥エネルギーが低い場合は転位が広く分裂し二本の独立な転位として照射欠陥から抜けていく過程が観察され、またその過程に必要な外部応力が低下することが分かった。この結果はオーステナイトにおける脆化のモデル化に必須な情報となる。

論文

The Effect of hydrogen atoms on the screw dislocation mobility in bcc iron; A First-principles study

板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛; 沖田 泰良*

Acta Materialia, 61(18), p.6857 - 6867, 2013/10

 被引用回数:69 パーセンタイル:96.99(Materials Science, Multidisciplinary)

原子力材料は長年の中性子照射によって硬化する。これは金属材料が折れることなく曲がる塑性変形が、照射による材料変化によって阻害される現象であるが、これを解明するには塑性のメカニズムを原子スケールで明らかにする必要がある。それには塑性変形を担う転位線と呼ばれる格子欠陥の動きがどのように照射損傷により阻害されるを知る必要があり、これは実験で直接観察できないので大規模な量子計算が必要になる。本発表では量子計算によって初めてこの転位の移動阻害メカニズムを明らかにしたので報告する。大規模な計算が必要という課題の解決にあたっては、新たに考案した多階層計算手法を用い少ない原子数で多数の原子での計算に相当する精度を出すことを可能にしたことが上げられる。これによって転位の運動阻害プロセスを定量的にモデル化することが可能となり、照射硬化をシミュレーションで定量評価するための道が開けたと言える。

口頭

照射速度の影響を取り入れたSCC評価法の研究,1

沖田 泰良*; 越石 正人*; 橋本 素行*; 田中 重彰*; 児玉 光弘*; 近藤 啓悦; 塚田 隆

no journal, , 

経済産業省原子力安全・保安院高経年化対策基盤整備事業の一環として、軽水炉炉内構造材であるオーステナイトステンレス鋼の照射誘起応力腐食割れのき裂進展挙動に及ぼす照射速度の影響について検討を行った。本研究では、き裂進展速度データが既に取得されている実機材を用いて、照射硬化,ひずみ硬化指数,照射欠陥及び粒界偏析に関するデータを取得し、それらデータから既存のき裂進展モデル(FRIモデル)への入力パラメータを決定してき裂進展速度を計算し、実験値との比較を行った。その結果、照射硬化や照射誘起偏析に伴う耐食性の劣化をモデル計算にとり入れることによって、き裂進展速度実験データを説明できることを実証した。これらの検討の結果、照射の影響を反映したパラメータ選定によって、FRIモデルを照射材き裂進展計算に適用可能であることがわかった。

口頭

オーステナイト鋼の原子間ポテンシャル開発

板倉 充洋; 宮代 聡*; 沖田 泰良*

no journal, , 

現在さまざまな金属について性能の良い分子動力学ポテンシャルが開発され、大規模な分子動力学計算によって新たな知見が得られているが、実用材料、特に合金に関しては分子動力学ポテンシャルの開発はあまり進んでいない。オーステナイト合金の軽水炉での照射脆化等の計算科学研究によるモデル化には分子動力学ポテンシャルの開発が必須であるため、その出発点として本研究では基本的な物質特性を再現するポテンシャルを開発して基礎プラットフォームを構築する。これまでの研究で、鉄・クロム・ニッケルをランダムに配置した小規模な系での電子構造計算を多数のケースについて行い、このような三元系のポテンシャル開発を行う場合に必要となる電子構造計算の原子配置ケース数や計算精度を見積もった。その結果、32原子程度の小規模な系では50ケース程度の原子配置ケースが必要であること、及び各原子の最近接ペア間の相互作用は最大でも0.08eV程度と大きくなく、オーステナイト鋼が急冷されて製造されることを考慮すると、電子構造計算において完全にランダムな配置を用いることは物理的にも妥当であることがわかった。今後このポテンシャルを改良し点欠陥や点欠陥クラスタのエネルギー及び移動障壁エネルギーが再現できるようになれば、照射によって生成する格子欠陥の分布を知ることが可能となり、また耐蝕性を担うクロム原子が照射により材料中でどのように移動するかを調べることで照射が耐蝕性に与える影響を調べることが可能となる。

口頭

Development of an EAM potential for Fe-Cr-Ni alloys

板倉 充洋; 宮代 聡*; 沖田 泰良*; 山口 正剛; 奥田 洋司*

no journal, , 

本研究テーマの最終目的は、主要な原子炉構造材料の一つである鉄・クロム・ニッケル合金について、原子スケールでの経年劣化シミュレーションのために必須となる原子間ポテンシャルを開発することである。そのためにはさまざまな原子配置について第一原理計算を行い、その結果をよく再現するポテンシャル関数を作成することが必要となるが、合金の場合は原子配置の数が組合せ論的に膨大となる困難が存在する。この課題を解決するため、まずは小規模な系において60ケースのランダムな原子配置を作成して第一原理計算を行い、配置の違いによってどの程度エネルギーなどの物理量が変化するかを調べた。その結果、鉄・クロム・ニッケル合金の場合は元素の違いによる原子間相互作用の変化が小さく、比較的少数のケース数に基づいた計算でも十分信頼できるデータを得られることがわかった。この結果により、現在の計算機の能力でこの合金のポテンシャル開発に必要な第一原理計算を行うことは十分可能であることがわかり、実用原子炉材料の経年劣化シミュレーション実現へ向けて大きく前進することができた。

口頭

ジルコニウム中水素化物の第一原理計算

板倉 充洋; 沖田 泰良*

no journal, , 

現在核廃棄物を減らす新型原子炉の設計が行われており、その原子炉で使用する燃料被覆管の安全性について原子力機構, 東京大学, 日立製作所で共同研究を行っている。これまでより強い照射条件において被覆管の寿命の決定因子である水素化物析出までの時間がどのように変化するかを理論的なモデルにより予測し、適切な材料を開発することが目的である。本発表では照射欠陥クラスタへの水素偏析が駆動現象になると仮定し、その仮定を検証するため第一原理計算で純Zr中の空孔クラスタや積層欠陥への偏析エネルギー等を評価した結果を公表する。得られた結果は、最終的な材料開発に不可欠なモデルのパラメータを与えるものであり、新型炉の設計に大きく貢献するものである。

口頭

ジルコニウム中溶質元素の第一原理計算

板倉 充洋; 沖田 泰良*

no journal, , 

現在核廃棄物を減らす新型原子炉の設計が行われており、その原子炉で使用する燃料被覆管の安全性について原子力機構, 東京大学, 日立製作所で共同研究を行っている。これまでより強い照射条件において被覆管の寿命の決定因子である水素化物析出までの時間がどのように変化するかを理論的なモデルにより予測し、適切な材料を開発することが目的である。本発表では照射効果のモデル化のため、照射試料において顕著である鉄クロム析出物の溶出と水素の関係を明らかにするため、特に鉄原子が照射にどのような影響を受けるかを第一原理計算で調べた結果を公表する。得られた結果は、最終的な材料開発に不可欠なモデルのパラメータを与えるものであり、新型炉の設計に大きく貢献するものである。

口頭

First-principles calculation of hydrogen absorption to a planar vacancy cluster in zirconium

板倉 充洋; 沖田 泰良*

no journal, , 

現在核廃棄物を減らす新型原子炉の設計が行われており、その原子炉で使用する燃料被覆管の安全性について原子力機構, 東京大学, 日立製作所で共同研究を行っている。これまでより強い照射条件において被覆管の寿命の決定因子である水素化物析出までの時間がどのように変化するかを理論的なモデルにより予測し、適切な材料を開発することが目的である。本発表では照射欠陥クラスタへの水素偏析が駆動現象になると仮定し、その仮定を検証するため第一原理計算で純Zr中の空孔クラスタや積層欠陥への偏析エネルギー等を評価した結果を公表する。得られた結果は、最終的な材料開発に不可欠なモデルのパラメータを与えるものであり、新型炉の設計に大きく貢献するものである。

口頭

高効率TRU燃焼を可能とする革新的水冷却炉RBWRの研究開発,3; ジルコニウム中溶質元素・照射欠陥相互作用の第一原理計算

板倉 充洋; 沖田 泰良*

no journal, , 

現在核廃棄物を減らす新型原子炉の設計が行われており、その原子炉で使用する燃料被覆管の安全性について原子力機構, 東京大学, 九州大学, 日立製作所で共同研究を行っている。これまでより強い照射条件において被覆管の寿命の決定因子である水素化物析出までの時間がどのように変化するかを理論的なモデルにより予測し、適切な材料を開発することが目的である。本発表では照射効果のモデル化のため、照射欠陥および溶質原子がどのように拡散し、互いにどのように相互作用するかを第一原理計算で調べた結果を公表する。得られた結果は、最終的な材料開発に不可欠なモデルのパラメータを与えるものであり、新型炉の設計に大きく貢献するものである。

口頭

BCC-Feにおける転位-結晶欠陥集合体間相互作用の原子論的解析

早川 頌; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; Haixuan, X.*; Osetsky, Y.*

no journal, , 

本研究は、原子炉構造材特有の材料劣化であるボイドスエリングのミクロメカニズムである、自己格子間原子集合体の転位への吸収過程における保存的上昇運動を通した三次元的運動に関して、原子論的アプローチによる予測手法を構築することを目的としている。本発表では、上記自己格子間原子集合体の保存的上昇運動を通した三次元的運動に関する原子的挙動予測手法と、手法の妥当性検証のために行なった分子動力学計算との比較結果を公表する。開発した手法とそれにより得られる結果は、従来ボイドスエリング定量化の際に欠落していた自己格子間原子集合体の三次元的挙動に関する新たな知見を与えるものであり、原子炉構造材の劣化予測に大きく資するものである。

口頭

BCC鉄における自己格子間原子集合体の三次元的運動に関する検討

早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; Haixuan, X.*; Osetsky, Y.*

no journal, , 

本研究は、照射下原子炉構造材に特有の結晶欠陥である自己格子間原子集合体に着目し、これら集合体の成長・合体の誘発メカニズムである集合体の三次元的挙動の定量化を目的とする。本発表では、シミュレーション技術開発室がこれまで行なってきた集合体三次元的挙動に関するon-the-fly kinetic Monte Carloによる計算結果と、それらから抽出できる知見を発表する。

口頭

Molecular dynamics simulations of effects of stacking fault energies on defect formation process in FCC metals

沖田 泰良*; 板倉 充洋; 中西 大貴*; 川畑 友弥*

no journal, , 

Molecular dynamics simulations were conducted to evaluate the influence of the stacking fault energy on defect formation by collision cascades in FCC metals. The simulations were performed for PKA energies of 1-50 keV by using six sets of EAM potentials that differed only in SFEs. Neither the number of residual defects nor their clustering behavior is affected by SFE, except for the mean size of vacancy clusters at highest PKA energy. The mean size increases as the SFE decreases because of enhanced formation of large vacancy clusters, which prefer to comprise stacking fault structure inside them. The ratio of glissile SIA clusters decreases as the SFE increases. At higher SFEs, both the number of Frank loops and perfect loops tend to decrease; instead, three-dimensional clusters form with higher densities. The effect of SFE on the number of Frank loops becomes apparent only at the highest PKA energy, where comparably large SIA clusters can be formed with a higher density.

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