Effect of electron-phonon coupling in nickel-based alloys

Abstract

Predicting radiation damage in materials has applications in many domains. Some examples include nuclear reactors, where high-energy neutrons are released in fission reactions, impacting reactor components. Another example is high energy particles, created in stars, impacting satellite components. Thus, being able to predict the material damage caused by high energy particles is crucial in developing alternate materials for use in these components.

Measuring damage on the atomic scale is very challenging, necessitating the development of computational models. This work compares two different methods of implementing electron effects into molecular dynamics: the electron stopping model and the two-temperature model with electron-phonon interaction.

These two models are compared on the number of point defects and atomic mixing in three nickel-based alloys: pure Ni, Ni50Fe50, Ni33Fe33Cr33. The damage is simulated with six different primary knock-on-atom energies: 0.1keV, 0.4keV, 1keV, 2keV, 5keV, 10keV.

Säteilyn aiheuttamien materiaalivaurioiden ennustaminen on hyödyllisä monilla osa-alueilla. Näihin lukeutuvat muun muassa fissioreaktorit, joissa fissioreaktiossa irtoavat neutronit osuvat reaktorin komponentteihin. Toisena esimerkkinä toimivat satelliitit, joihin osuvat tähdistä lähtöisin olevat hiukkaset voivat olla todella korkeaenergisiä. Komponenttien materiaalisuunnittelussa on siis kriittistä ymmärtää korkeaenergisten hiukkasten aiheuttamat materiaalivauriot.

Vaurioiden mittaaminen atomitasolla on hyvin haastavaa, jonka takia on kehitetty laskennallisia malleja. Tässä työssä vertaillaan kahta eri tapaa implementoida elektronien efekti molekyylidynamiikkaan: elektronipysäytysmalli sekä kahden lämpötilan malli elektroni-fononi vuorovaikutuksella.

Näitä malleja vertaillaan pistevaurioiden lukumäärällä ja atomien sekoittumis määrällä kolmessa eri nikkelipohjaisessa seoksessa: puhdas Ni, Ni50Fe50 ja Ni33Fe33Cr33. Vaurioita simuloidaan kuudella eri ensitörmäysenergialla: 0.1keV, 0.4keV, 1keV, 2keV, 5keV, 10keV.