Energy landscape of defects in body-centered cubic metals
Description
The structural materials in nuclear reactors are subjected to severe irradiation conditions, leading to changes in their mechanical properties. The aging of these materials raises important issues such as those related to the safety of existing plants and future reactors. In many cases, materials with body-centered cubic bcc crystal structure are used with iron, tungsten, vanadium and tantalum as base metal. Collisions between irradiating particles and atoms constituting materials generate point defects whose migration leads to the formation of clusters responsible for aging. In this thesis, we studied the energetic properties of point defects in the bcc metals mentioned above at the atomic scale. Modeling point defects at the atomic scale can be achieved with different methods that differ only in the quality of the description of the interaction between atoms. Studies using accurate atomic interactions such ab initio calculations are computationally costly making it impossible to directly study clusters of large sizes. The modeling of atomic interactions using semi-empirical potentials reduces the reliability of predictive calculations but allow calculations for large-sized clusters. In this thesis we have developed a unique energy model for dislocation loops as well as for three-dimensional interstitial cluster of type C15. The resulting model has no size limit and can be set entirely by ab initio calculations. To test its robustness for large sizes of clusters we also set this model with semi-empirical potentials calculations and compared the predictions of the model to atomic simulations. With our development we have determined: (i) The relative stability of interstitial dislocation loops according to their Burgers vectors. (ii) The stability of the clusters C15 compared to the type of cluster loop. We showed that the C15 type clusters are more stable when they involve less than 41 interstitials in iron. (iii) In Ta we were able to show the same stability till 20 interstitials. The experiments involving iron show that depending on the irradiation temperature, highly mobile dislocation loops of Burgers vector 1/2 <111> or loops with Burgers vector <100> are formed. Considering formation mechanisms under irradiation as a function of temperature, formation of the <100>-type clusters lacked an acceptable theoretical explanation for about 50 years. In this thesis, the accuracy of our energy model enabled validation of several theories proposed in the last 50 years. In particular we have shown that the formation of loops <100> at high temperatures can be formed from C15 clusters which may be created directly in the irradiation process. These clusters are immobile and can grow. Beyond a certain size, the C15 clusters dissociate into loops 1/2 <111> or <100>. We have extended our model to free energy calculation of defect formation allowing for finite temperature predictions which is further compared to atomic simulations. The laws established in this thesis using our model to calculate the free energy of formation of the cluster size functions were then used in a cluster dynamics simulation. On comparison with experiments involving post-irradiation Oswald ripening in a sample of iron exposed to an atmosphere of helium, our energy model showed significant improvements over older energy laws, such as the capillary law widely-used in multi-scale computation cluster dynamics or Monte Carlo kinetics. We conclude that the new laws established from our calculations are essential to predict the concentration of dislocation loop under irradiation, depending on their sizes. The success of such an approach encourages extension of a similar study in more complex materials. (author)
Abstract (French)
Les materiaux composants les reacteurs nucleaires subissent des conditions d'irradiation severes, donnant lieu a des modifications de leurs proprietes mecaniques. Le vieillissement de ces materiaux souleve des questions aussi importantes que celles liees a la securite des centrales existantes et aux futurs reacteurs a fission et a fusion. Dans plusieurs situations les materiaux de structure cristalline cubique centree CC sont utilises ayant pour base le fer, le tungstene, le vanadium et le tantale. Les collisions entre les particules irradiantes et les atomes constituants les materiaux engendrent des defauts ponctuels dont la migration mene a la formation d'amas responsables du vieillissement. Dans cette these nous avons etudie les proprietes energetiques des defauts ponctuels dans les metaux CC cites precedemment a l'echelle atomique. La modelisation des defauts ponctuels a l'echelle atomique peut etre realisee avec differentes methodes se differenciant uniquement par la qualite de la description de l'interaction entre atomes. Les etudes utilisant des interactions atomiques exactes, type ab initio, necessitent des calculs lourds rendant impossible l'etude directe des amas de grandes tailles. Avec la modelisation des interactions atomiques via les potentiels semi-empiriques on reduit la fiabilite et le caractere predictif du calcul. Ceux-ci permettent toutefois de realiser une etude des amas en fonction de leur taille. Dans cette these nous avons developpe un modele energetique original pour les boucles de dislocation ainsi que pour les amas interstitiels tridimensionnels de type C15. Le modele obtenu est sans limite de taille et peut etre parametre entierement par les calculs ab initio. Afin de tester sa robustesse pour les grandes tailles d'amas nous avons egalement parametre ce modele par rapport a des calculs en potentiels semi-empiriques et compare les predictions du modele aux simulations atomiques. Grace a notre developpement nous avons pu determiner: (i) la stabilite relative des boucles de dislocation d'interstitiels d'apres leur vecteur de Burgers. (ii) La stabilite des amas C15 par rapport aux amas de type boucle. Nous avons montre que les amas de type C15 etaient plus stables lorsqu'ils impliquent moins de 41 interstitiels dans le fer. (iii) Dans le Ta nous avons pu mettre en evidence la meme stabilite jusqu'a 20 interstitiels. Les experiences dans le fer irradie montrent qu'en fonction de la temperature d'irradiation, il se forme des boucles de dislocation tres mobiles de vecteur de Burgers 1/2 <111> ou immobiles ayant un vecteur de Burgers <100>. Les mecanismes de formation sous irradiation en fonction de la temperature, des amas de type <100> etaient une question restee sans explication theorique depuis 50 ans. Dans cette these, grace a la precision de notre modele energetique, nous avons pu tester plusieurs theories. Notamment nous avons montre que les amas C15 constituent un catalyseur dans la formation des boucles<100>. Les clusters C15 peuvent se former, par germination, directement dans le processus d'irradiation. Ces clusters sont immobiles et peuvent croitre. A partir d'une certaine taille les amas C15 se dissocient en boucles 1/2 <111> ou <100>. Nous avons etendu notre modele au calcul d'energie libre de formation des defauts permettant ainsi des predictions a temperature finie que nous avons comparees aux simulations atomiques. Les lois etablies dans cette these en utilisant notre modele pour calculer l'energie libre de formation en fonctions de la taille des amas, ont ete ensuite utilisees dans une simulation de dynamique d'amas. Nous avons ainsi pu predire avec un tres bon accord experience-theorie la concentration des amas d'interstitiels en fonction de leurs tailles au cours du murissement d'Oswald post irradiation dans un echantillon de Fer sous atmosphere d'Helium. Le succes d'une telle approche nous permet d'esperer etendre ce type d'etude a des materiaux plus complexes
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Exploration du paysage energetique de defauts dans les metaux cubiques centres
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 218 p.
- Report number
- FRCEA-TH--8369
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 48055241
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- AGING; CHEMICAL RADIATION EFFECTS; DEFECTS; METALS; MONTE CARLO METHOD; PHYSICAL RADIATION EFFECTS; POINT DEFECTS; TEMPERATURE DEPENDENCE
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; CRYSTAL DEFECTS; CRYSTAL STRUCTURE; ELEMENTS; RADIATION EFFECTS
Optional Information
- Notes
- 286 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from Bibliotheque centrale Polytechnique - BCX, Route de Saclay, 91128 Palaiseau Cedex (France)