Lopasso, Edmundo (2003) Estudio de efectos inducidos por neutrones en materiales de interés nuclear mediante simulaciones por computadora: Solidificación ultra rápida a escala nanoscópica / Study of neutron induced effects in nuclear materials by computer simulation: Ultra-Fast solidification at the nanoscopic scale. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En este trabajo se analizan algunos aspectos de la influencia del daño primario producido por las radiaciones en metales, en especial aleaciones con base Fe con bajos contenidos de Cu, de aplicación en reactores nucleares. Se aplicaron técnicas de modelado a escala atómica, mediante los métodos de Dinámica Molecular y Monte Carlo empleando como base potenciales de interacción disponibles en la literatura. Se ha calculado el diagrama de fases del sistema Fe-Cu en todo el rango de composiciones, determinándose los límites de fases y rangos de solubilidad que predicen los potenciales de interacción. Los resultados, comparados frente al diagrama de fases experimental del sistema, indican que es necesario mejorar la descripción de los potenciales de los elementos y las propiedades de solubilidad relativa de las fases sólidas. Aún dentro de estas limitaciones, debido a que los límites entre las fases sólida y líquida en la zona rica en Fe del diagrama de fases se describen apropiadamente, los resultados se utilizaron para interpretar el comportamiento de Cu como soluto durante el enfriamiento de cascadas de desplazamiento. El análisis se llevó a cabo utilizando además resultados sobre el sistema Ni-Au, para el que se dispone de potenciales de interacción que proveen una correcta descripción de las propiedades termodinámicas y de transporte de los solutos. Esto permitió discriminar los efectos de los gradientes térmicos y la forma del diagrama de fases en la redistribución de solutos. De los resultados sobre Ni-Au y en aleaciones diluídas de Cu en Fe, se concluye que los gradientes térmicos tienen influencia en la redistribución de los solutos, los cuales migran hacia las zonas de mayor temperatura si su masa es menor que la del solvente, con efecto contrario si la masa del soluto es mayor. Este efecto es conocido como termomigración, y se manifiesta en todos los procesos de enfriamiento posteriores a la acción de las radiaciones dependiendo del parámetro característico conocido como calor de transporte. Comparando diferentes velocidades de enfriamiento en Ni-5%Au se concluye que el diagrama de fases tendrá efectos de redistribución de solutos si la relación de partición de las líneas solidus y liquidus es baja (~0.1), y cuando las velocidades de enfriamiento del sistema sean lentas (avance de interfases ~0.2 Å/pseg). Esto se produce en simetrías en una dimensión, por ejemplo en experimentos de shock waves de característica plana donde pueden aparecer los efectos de la termomigración y de la solidificación sobre la redistribución de los solutos. Para cascadas de desplazamiento sólo se manifestará la termomigración, dependiendo del calor de transporte del soluto. Para aleaciones de diluídas de Cu en Fe el calor de transporte es Q* #approx =#0, las cascadas de desplazamiento no tienen influencia directa en la formación de aglomerados de Cu, en acuerdo con las observaciones experimentales y otros modelos de cálculo, y confirmándose la necesidad de incluir el efecto de las vacancias en el modelado de formación de aglomerados de Cu. Se sugiere la posibilidad de que otros solutos de menor masa formen aglomerados por efecto de la termomigración
Resumen en inglés
In the present study we analise some of the aspects on the primary damage induced by radiation in metals, specially Fe based alloys with low Cu content used in nuclear reactors. Atomic scale simulations with Molecular Dynamics and Monte Carlo methods were applied on the basis of interatomic potentials available in the literature. The Fe-Cu phase diagram was evaluated in the whole compositional range, and the phase and solubility limits as predicted by the model interactions were determined. Results, as compared to experimental findings, suggest that a better description of the potentials of the elements is needed, and that the description of the relative solubility of the solid phases should be included in the potentials. Even under these limitations, the solid-liquid phase limits in the Fe rich region are correctly represented, and the results are used to interpret the behaviour of Cu as solute in Fe during the cooling of displacement cascades. The analysis was performed with the aid of the results on the Ni-Au system, whose thermodynamic and solute transport properties are correctly described by interatomic potentials. This allowed us to separate the relative effects of thermal gradients and phase diagram characteristics on the solute redistribution. From the results on the Ni-Au system and dilute alloys of Cu in Fe, it is concluded that thermal gradients have an influence on solute redistribution, which migrate to the high temperature regions if the solute mass is lower than the solvent mass, while the opposite occurs if the solute mass is higher than the solvent one. This effect is known as thermomigration, and acts during the cooling down after the interaction of radiation with matter depending on the characteristic property known as heat of transport. By comparing different cooling rates in Ni-5%Au it is concluded that the phase diagram will have an effect on solute redistribution if the equilibrium partition ratio between the solidus and liquidus lines is low enough (~0.1), and if the cooling rates are also low (solidification interface speed ~0.2 Å/psec). This is the case in one dimensional simetry, as in shock waves experiments of plane nature were both thermomigration and solidification effects could influence the solute redistribution. In displacement cascades only thermomigration is likely to occur depending on the heat of transport of the solute. In dilute alloys of Cu in Fe where the heat of transport of the solute is Q* #approx =# 0, displacement cascades have no direct influence in the formation of solute clusters, in agreement with experimental observations and other model results, supporting the requisite of including the vacancy effect in the modelling of the formation of Cu clusters. The possibility of lower mass solute clustering by thermomigration is suggested
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Efectos; radiaciones; Daño; Método; Dinámica molecular; Monte carlo; Métodos estocásticos; Diagramas; Fases; Aleaciones binarias; Transformaciones; Segregación; Solutos; Termomigración; Radiation effects; Molecular dynamics method; Monte carlo methd; Phase diagrams; Binary alloy systems; solutes; Phase transformations; Segregation; |
| Materias: | Ingeniería nuclear |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Teoría de sólidos |
| Código ID: | 10 |
| Depositado Por: | Administrador RICABIB |
| Depositado En: | 28 Abr 2010 16:03 |
| Última Modificación: | 17 May 2010 11:01 |
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