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論文

Molecular dynamics study of phosphorus migration in $$Sigma$$5 grain boundary of $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

Proceedings of Joint International Conference on Supercomputing in Nuclear Applications + Monte Carlo 2020 (SNA + MC 2020), p.65 - 69, 2020/10

リンは鉄鋼材料において粒界脆化を引き起こす元素として知られている。さらに、照射による空孔や格子間原子の増加によってリン原子の粒界偏析が促進される。このことから、照射量や温度に対する粒界リン偏析量を評価するため、原子レベルの素過程に基づく拡散レート理論モデルを開発している。しかし、このモデルでは、粒界でのリンのトラップ及びデトラップモデルが適切に取り込まれていないため、実験結果と直接比較できる量を計算できない。粒界からのデトラップを考察するため、これまで、これまで鉄中の$$Sigma$$3対称傾角粒界内におけるリンの移動を分子動力学シミュレーションにより考察してきたが、本研究では、$$Sigma$$5でのリン移動をシミュレーションし、$$Sigma$$3との結果と比較した。その結果、800Kにおいて、$$Sigma$$3ではリン原子は比較的容易に鉄原子の間を移動するが、$$Sigma$$5では空孔がないと移動できないことが分かった。また、リン原子を置かない粒界領域中の鉄原子についても同様の傾向が見られた。これは、デトラップ過程をモデル化するための1つの知見を与えると考えられる。

論文

Molecular dynamics simulations of phosphorus migration in a grain boundary of $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

TMS 2020; 149th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings, p.995 - 1002, 2020/02

リンは鉄鋼材料において粒界脆化を引き起こす元素として知られている。さらに、照射による空孔や格子間原子の増加によってリン原子の粒界偏析が促進される。このことから、照射量や温度に対する粒界リン偏析量を評価するため、原子レベルの素過程に基づく拡散レート理論モデルを開発している。しかし、このモデルでは、粒界でのリンのトラップ及びデトラップモデルが適切に取り込まれていないため、実験結果と直接比較できる量を計算できない。本研究では、粒界からのデトラップを考察するため、鉄中の$$Sigma$$3対称傾角粒界内におけるリンの移動を分子動力学でシミュレーションした。また、移動するリン原子を追跡し、その拡散障壁エネルギーを評価した。その結果、拡散障壁エネルギーは粒界の鉄原子の隙間の偏析サイトの偏析エネルギーと同程度であり、粒界中の鉄原子の間を移動することが分かった。これは、デトラップ過程をモデル化するための1つの知見を与えると考えられる。

口頭

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

海老原 健一; 鈴土 知明; 山口 正剛; 西山 裕孝

no journal, , 

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。

口頭

Numerical estimation of phosphorus transport for different migration modes in $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明; 山口 正剛

no journal, , 

中性子照射された原子炉圧力容器鋼において粒界脆化を引き起こすとされているリン原子の粒界への偏析は、さまざまな照射条件において評価されることが望まれている。第一原理計算に基づくレート理論によって粒界リン偏析を評価するため、$$alpha$$鉄中の混合ダンベルの拡散係数を第一原理計算に基づくキネティックモンテカルロシミュレーションで評価し、八面体格子間サイトのリンと空孔移動モードの拡散係数と比較したところ、混合ダンベルと八面体格子間サイトのリンは空孔移動モードよりずっと早く拡散することがわかった。また、評価されていた拡散係数を組み入れたレート理論モデルで照射誘起粒界リン偏析の計算をしたところ、モデルの修正が必要であることがわかった。また、発表では現在進行中である分子動力学シミュレーションを用いたリンの偏析過程の調査について触れる予定である。

口頭

Simulation of irradiation-induced grain boundary phosphorus segregation by first-principles-based rate theory model including trapping and detrapping processes

海老原 健一; 鈴土 知明; 山口 正剛

no journal, , 

原子炉圧力容器材の健全性確保のため、照射下での粒界におけるリンの偏析の定量的評価が必要である。八面体格子間サイトを移動するリン原子を考慮し、また第一原理計算に基づくkMCシミュレーションで評価された拡散係数を使用し、照射誘起粒界リン偏析を評価するコードが開発されている。しかし、粒界におけるリン原子のトラップ・デトラップ過程が考慮されていないため、粒界リン被覆率を評価できない。本研究では、トラップ・デトラップ過程をMDシミュレーションの結果に基づいてモデルに組み込み、粒界リン被覆率の温度依存性を調べた。結果として、照射誘起粒界リン偏析が再現され、これまでのモデルでは計算できなかった高温領域における熱偏析を示す結果も得られた。

口頭

Computational study of phosphorus migration to grain boundary in $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

no journal, , 

原子炉圧力容器鋼の高経年化における脆化機構を理解するため粒界リン偏析はひとつの要因である。照射による粒界リン偏析を評価するためのレート理論モデルが開発されているが、粒界におけるリンの偏析機構が明確でないためそのモデルができていない。本研究では、リン原子の粒界への偏析機構を明確にするため、分子動力学によってリン原子の粒界への移動をシミュレーションし、またその結果を第一原理計算で検証した。その結果、粒界近傍で、リン原子とともに移動する空孔や自己格子間原子は粒界に吸収され、リン原子は置換型となることが分かった。さらに、リン原子と自己格子間原子の混合ダンベルの場合において、この現象は第一原理計算で確認された。なお、本発表は、[Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 26(2018) 065005]の内容を詳細にまとめたものである。

口頭

Rate theory model of phosphorus grain boundary segregation considering atomistic processes

海老原 健一; 鈴土 知明; 山口 正剛

no journal, , 

リンは原子炉圧力容器鋼において粒界脆化を引き起こし延性脆性転移温度の上昇に影響することが考えられる。このことから、照射誘起粒界リン偏析を解析するレート理論モデルを原子レベルの素過程を基に開発している。これまで、分子動力学シミュレーションによる考察に基づき、リンの粒界へのトラップ過程は組み込まれたが、デトラップ過程については従来のモデルを用いていた。そこで、本研究では、分子動力学よってリンの粒界内での移動をシミュレーションし、その挙動を考察した。さらに、その考察に基づき、デトラップ過程をレート理論モデルに組み入れ、照射誘起粒界リン偏析の温度依存性を計算した。その結果、リン原子は、粒界内を鉄原子の隙間を移動することが分かった。レート理論モデルの計算では600$$^{circ}$$C以上になると粒界リン偏析量が大きく増加すること、そして、この増加はリンの粒界偏析エネルギーに依存することが示された。

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