Static and dynamic structure of liquid metals: Role of the different parts of the interaction potential

The influence of different parts of the interaction potential on the microscopic behavior of simple liquid metals is investigated by molecular dynamics simulation. The role of the soft-core repulsive, short-range attractive, and long-range oscillatory forces on the properties of liquid lithium close to the triple point is analyzed by comparing the results from simulations of identical systems but truncating the potential at different distances. Special attention is paid to dynamic collective properties such as the dynamic structure factors, transverse current correlation functions, and transport coefficients. It is observed that, in general, the effects of the short-range attractive forces are important. On the contrary, the influence of the oscillatory long-range interactions is considerably less, being the most pronounced for the dynamic structure factor at long wavelengths. The results of this work suggest that the influence of the attractive forces becomes less significant when temperature and density increase.

Dynamic properties of Lennard Jones fluids and liquid metals

The dependence of the dynamic properties of liquid metals and Lennard-Jones fluids on the characteristics of the interaction potentials is analyzed. Molecular-dynamics simulations of liquids in analogous conditions but assuming that their particles interact either through a Lennard-Jones or a liquid-metal potential were carried out. The Lennard-Jones potentials were chosen so that both the effective size of the particles and the depth of the potential well were very close to those of the liquid-metal potentials. In order to investigate the extent to which the dynamic properties of liquids depend on the short-range attractive interactions as well as on the softness of the potential cores, molecular-dynamics simulations of the same systems but assuming purely repulsive interactions with the same potential cores were also performed. The study includes both singleparticle dynamic properties, such as the velocity autocorrelation functions, and collective dynamic properties, such as the intermediate scattering funcfunctions, and collective dynamic properties, such as the intermediate scattering functions, the dynamic structure factors, the longitudinal and transverse current correlations, and the transport coefficients.

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.

Effect of wetting on heat transfer characteristics of liquid metals : (thesis) / W. K. Stromquist.

"Contract No. AT-(40-1)-1310."

Liquid-metals handbook : sodium-NaK supplement.

Sponsored by the Atomic Energy Commission and the Bureau of Ships, Dept. of the Navy.

Liquid-metals handbook.

Mode of access: Internet.

Bibliography on corrosion by liquid metals (1957-September 1962)

Mode of access: Internet.

The development of dynamic CFD model of the magnetic semi-levitation of liquid metals

In the casting of reactive metals, such as titanium alloys, contamination can be prevented if there is no contact between the hot liquid metal and solid crucible. This can be achieved by containing the liquid metal by means of high frequency AC magnetic field. A water cooled current-carrying coil, surrounding the metal can then provide the required Lorentz forces, and at the same time the current induced in the metal can provide the heating required to melt it. This ‘attractive’ processing solution has however many problems, the most serious being that of the control and containment of the liquid metal envelope, which requires a balance of the gravity and induced inertia forces on the one side, and the containing Lorentz and surface tension forces on the other. To model this process requires a fully coupled dyna ic solution of the flow fields, magnetic field and heat transfer/melding process to account for. A simplified solution has been published previously providing quasi-static solutions only, by taking the irrotational ‘magnetic pressure’ term of the Lorentz force into account. The authors remedy this deficiency by modelling the full problem using CFD techniques. The salient features of these techniques are included in this paper, as space allows.

Metastable liquid-liquid phase transition in a single-component system with only one crystal phase and no density anomaly

We investigate the phase behavior of a single-component system in three dimensions with spherically-symmetric, pairwise-additive, soft-core interactions with an attractive well at a long distance, a repulsive soft-core shoulder at an intermediate distance, and a hard-core repulsion at a short distance, similar to potentials used to describe liquid systems such as colloids, protein solutions, or liquid metals. We showed [Nature (London) 409, 692 (2001)] that, even with no evidence of the density anomaly, the phase diagram has two first-order fluid-fluid phase transitions, one ending in a gas¿low-density-liquid (LDL) critical point, and the other in a gas¿high-density-liquid (HDL) critical point, with a LDL-HDL phase transition at low temperatures. Here we use integral equation calculations to explore the three-parameter space of the soft-core potential and perform molecular dynamics simulations in the interesting region of parameters. For the equilibrium phase diagram, we analyze the structure of the crystal phase and find that, within the considered range of densities, the structure is independent of the density. Then, we analyze in detail the fluid metastable phases and, by explicit thermodynamic calculation in the supercooled phase, we show the absence of the density anomaly. We suggest that this absence is related to the presence of only one stable crystal structure.

Liquid-liquid phase transition for soft-core attractive potential

Using event-driven molecular dynamics simulations, we study a three-dimensional one-component system of spherical particles interacting via a discontinuous potential combining a repulsive square soft core and an attractive square well. In the case of a narrow attractive well, it has been shown that this potential has two metastable gas-liquid critical points. Here we systematically investigate how the changes of the parameters of this potential affect the phase diagram of the system. We find a broad range of potential parameters for which the system has both a gas-liquid critical point C1 and a liquid-liquid critical point C2. For the liquid-gas critical point we find that the derivatives of the critical temperature and pressure, with respect to the parameters of the potential, have the same signs: they are positive for increasing width of the attractive well and negative for increasing width and repulsive energy of the soft core. This result resembles the behavior of the liquid-gas critical point for standard liquids. In contrast, for the liquid-liquid critical point the critical pressure decreases as the critical temperature increases. As a consequence, the liquid-liquid critical point exists at positive pressures only in a finite range of parameters. We present a modified van der Waals equation which qualitatively reproduces the behavior of both critical points within some range of parameters, and gives us insight on the mechanisms ruling the dependence of the two critical points on the potential¿s parameters. The soft-core potential studied here resembles model potentials used for colloids, proteins, and potentials that have been related to liquid metals, raising an interesting possibility that a liquid-liquid phase transition may be present in some systems where it has not yet been observed.

Liquid lead and Lithium. A Comprehensive molecular dynamics study

Pb17Li is today a reference breeder material in diverse fusion R&D programs worldwide. One of the main issues in these programs is the problem of liquid metals breeder blanket behavior. Structural material of the blanket should meet high requirements because of extreme operating conditions. Therefore the knowledge of eutectic properties like optimal composition, physical and thermodynamic behavior or diffusion coefficients of Tritium are extremely necessary for current designs. In particular, the knowledge of the function linking the tritium concentration dissolved in liquid materials with the tritium partial pressure at a liquid/gas interface in equilibrium, CT=f(PT), is of basic importance because it directly impacts all functional properties of a blanket determining: tritium inventory, tritium permeation rate and tritium extraction efficiency. Nowadays, understanding the structure and behavior of this compound is a real goal in fusion engineering and materials science. Simulations of liquids can provide much information to the community; not only supplementing experimental data, but providing new tests of theories and ideas, making specific predictions that require experimental tests, and ultimately helping to lead to the deeper understanding and better predictive behavior.