Molecular dynamics modeling and simulation of void growth in two dimensions

The mechanisms of growth of a circular void by plastic deformation were studied by means of molecular dynamics in two dimensions (2D). While previous molecular dynamics (MD) simulations in three dimensions (3D) have been limited to small voids (up to ≈10 nm in radius), this strategy allows us to study the behavior of voids of up to 100 nm in radius. MD simulations showed that plastic deformation was triggered by the nucleation of dislocations at the atomic steps of the void surface in the whole range of void sizes studied. The yield stress, defined as stress necessary to nucleate stable dislocations, decreased with temperature, but the void growth rate was not very sensitive to this parameter. Simulations under uniaxial tension, uniaxial deformation and biaxial deformation showed that the void growth rate increased very rapidly with multiaxiality but it did not depend on the initial void radius. These results were compared with previous 3D MD and 2D dislocation dynamics simulations to establish a map of mechanisms and size effects for plastic void growth in crystalline solids.

Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.

A molecular dynamics study of swift heavy ion irradiation of amorphous silica: the role of thermal effects

Irradiation with swift heavy ions (SHI), roughly defined as those having atomic masses larger than 15 and energies exceeding 1 MeV/amu, may lead to significant modification of the irradiated material in a nanometric region around the (straight) ion trajectory (latent tracks). In the case of amorphous silica, SHI irradiation originates nano-tracks of higher density than the virgin material (densification). As a result, the refractive index is increased with respect to that of the surroundings. Moreover, track overlapping leads to continuous amorphous layers that present a significant contrast with respect to the pristine substrate. We have recently demonstrated that SHI irradiation produces a large number of point defects, easily detectable by a number of experimental techniques (work presented in the parallel conference ICDIM). The mechanisms of energy transfer from SHI to the target material have their origin in the high electronic excitation induced in the solid. A number of phenomenological approaches have been employed to describe these mechanisms: coulomb explosion, thermal spike, non-radiative exciton decay, bond weakening. However, a detailed microscopic description is missing due to the difficulty of modeling the time evolution of the electronic excitation. In this work we have employed molecular dynamics (MD) calculations to determine whether the irradiation effects are related to the thermal phenomena described by MD (in the ps domain) or to electronic phenomena (sub-ps domain), e.g., exciton localization. We have carried out simulations of up to 100 ps with large boxes (30x30x8 nm3) using a home-modified version of MDCASK that allows us to define a central hot cylinder (ion track) from which heat flows to the surrounding cold bath (unirradiated sample). We observed that once the cylinder has cooled down, the Si and O coordination numbers are 4 and 2, respectively, as in virgin silica. On the other hand, the density of the (cold) cylinder increases with respect to that of silica and, furthermore, the silica network ring size decreases. Both effects are in agreement with the observed densification. In conclusion, purely thermal effects do not explain the generation of point defects upon irradiation, but they do account for the silica densification.