Ion beam mixing in tungsten predicted with a novel two-temperature molecular dynamics model
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2022-06-27
Department
Major/Subject
Energy systems and markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
52 + 0
Series
Abstract
Plasma-facing materials in fusion reactors are exposed to high doses of irradiation, causing radiation damage to the materials. The characterization of the damage is crucial for the research of fusion-relevant materials. However, a major outstanding open question remains about how electronic excitation affects the radiation damage process. The project involves performing atomistic simulations of radiation-induced collision cascades, using a newly developed model that explicitly accounts for electronic energy losses in the highly non-equilibrium cascade process. The level of atomic mixing, which is experimentally known as ion-beam mixing, is conjectured to be sensitive to the coupling between electronic and atomic systems. In this work, the atomic mixing was analyzed from the simulations and compared to experimentally derived values for tungsten, to gauge the model accuracy. The values of atomic mixing obtained by using the model are in a good agreement with the experimental values. We employ two different functions for the coupling between the atomic and electronic systems, displaying different strengths of the electron-phonon coupling. Our results show that the strength of the electron-phonon coupling does not significantly affect the predicted level of atomic mixing.Tulevien fuusioreaktoreiden materiaalit altistuvat reaktorissa korkeille säteilyannoksille aiheuttaen materiaaleihin säteilyvaurioita. Näiden karakterisointi on oleellinen osa fuusiorelevanttien materiaalien tutkimusta. Vuosisadan tutkimuksista riippumatta elektronien virittymisen vaikutus säteilyvaurioiden muodostumiseen on edelleen merkittävä ratkaisematon kysymys. Tässä työssä mallinnetaan säteilyn aiheuttamia törmäyskaskadeja atomististen simulaatioiden avulla. Simulaatioissa käytetään uutta mallia, joka erityisesti ottaa mukaan elektroniset energiahäviöt erittäin epätasapainoisessa kaskadiprosessissa. Atomien sekoittumisen on arveltu olevan herkkä elektronisen ja atomijärjestelmän väliselle kytkennälle. Tämän vuoksi atomien sekoittuvuus on analysoitu simulaatioiden pohjalta ja verrattu vastaaviin kokeellisesti saatuihin arvoille. Työ on tehty volframille, tarkoituksena validoida mallin tarkkuus. Mallia käyttäen saadut arvot atomien sekoittuvuudesta ovat hyvin lähellä kokeellisia arvoja. Atomien sekoittuvuuksien analysointi eri elektroni-fononi-kytkennöillä osoittaa sen, että kytkennän vahvuus ei vaikuta merkittävästi tuloksiin.Description
Supervisor
Sand, AndreaThesis advisor
Sand, AndreaKeywords
radiation damage, collision cascade, electron-phonon coupling, ion-beam mixing, molecular dynamics simulation, dissipation model