Modelo atomístico de producción y acumulación de daño en hierro y en vanadio

Resumen

Los sólidos bajo irradiación experimentan cambios en sus propiedades macroscópicas. Fenómenos como la fragilización de las vasijas de presión en los reactores nucleares son un claro ejemplo del efecto negativo de la radiación en los materiales estructurales. Más preocupante todavía es el cambio de volumen cuando la irradiación es acompañada por la producción de helio. En los futuros reactores de fusión, se esperan flujos de alrededor de 20 dpa/año y una producción de helio de unas 100 appm anuales. Estas condiciones extremas supondrían la aparición de los fenómenos anteriormente expuestos y el inmediato deterioro de los materiales convencionales. La baja activación y elevada resistencia a la radiación de las aleaciones de vanadio las convierten en un material estructural ideal para la primera pared de estos reactores. Los aceros ferríticos son otro posible candidato por las mismas propiedades. Sin embargo el desarrollo de nuevos materiales requiere de un profundo conocimiento de los mecanismos de producción y acumulación de daño. Por desgracia, a pesar de los avances en el campo, dichos mecanismos no son del todo conocidos, ni siquiera en los metales puros. La teoría no ha conseguido ofrecer explicaciones completamente satisfactorias a los numerosos resultados experimentales publicados en la literatura científica. La irrupción de las simulaciones por ordenador en el campo ha conducido a un mejor entendimiento de las diferentes fases del daño por irradiación. Durante más de treinta años, las simulaciones de dinámica molecular han demostrado su validez para describir la etapa de producción de daño. Es en la acumulación de daño en donde surge el desacuerdo. La metodología más extendida es la conocida como ecuaciones de tasa, que resuelve las ecuaciones de difusión de los defectos en sistemas de ecuaciones diferenciales altamente acoplados. El método de Monte Carlo, por otra parte, obtiene una sola solución del sistema mediante la generación de números aleatorios. Por lo tanto, la única forma de dotar de validez a la respuesta es la repetición del mismo cálculo hasta conseguir una muestra estadísticamente significativa. En contrapartida, la posibilidad de tratar inhomogeneidades de forma directa lo convierte en una técnica particularmente atractiva. Actualmente, ambas metodologías emplean términos sumidero de defectos que proceden de estimaciones basadas en modelos continuos. Sin embargo, la escala microscópica de la interacción de los defectos puntuales con la microestructura precisa de un estudio atomístico detallado. El progreso de las técnicas de simulación de acumulación de daño se halla necesitado de los valores que resulten de dicho estudio. En esta tesis se estudiará la acumulación de daño por irradiación neutrónica en vanadio y hierro puros. La información obtenida será un primer paso hacia la comprensión de la acumulación de daño en las aleaciones de vanadio y en los aceros ferríticos de los reactores de fusión. La metodología empleada será la siguiente: 1.- El estado primario de daño será generado mediante simulaciones de dinámica molecular. 2.- La acumulación de daño se llevará a cabo mediante un código de Monte Carlo. Los datos de entrada requeridos por este código serán calculados por simulaciones de dinámica molecular o se tomarán valores experimentales cuando existan. 3.- Se incluirán diferentes concentraciones de impurezas para elucidar su papel en la acumulación de daño. 4.- Se estudiará la interacción entre dislocaciones y defectos de punto. La energía de interacción se calculará mediante una simulación atomística estática con condiciones flexibles de contorno.