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Comptes Rendus Physique
Volume 9, n° 3-4
pages 335-342 (avril-mai 2008)
Doi : 10.1016/j.crhy.2007.09.018
First principles calculations in iron: structure and mobility of defect clusters and defect complexes for kinetic modelling
Calculs ab initio dans le fer : structure et mobilité des agrégats de défauts pour modélisation cinétique
 

Chu Chun Fu , F. Willaime
Service de recherches de métallurgie physique, CEA/Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France 

Corresponding author.
Abstract

Predictive simulations of the defect population evolution in materials under or after irradiation can be performed in a multi-scale approach, where the atomistic properties of defects are determined by electronic structure calculations based on the Density Functional Theory and used as input for kinetic simulations covering macroscopic time and length scales. Recent advances obtained in iron are presented. The determination of the 3D migration of self-interstitial atoms instead of a fast one-dimensional glide induced an overall revision of the widely accepted picture of radiation damage predicted by previously existing empirical potentials. A coupled ab initio and mesoscopic kinetic Monte Carlo simulation provided strong evidence to clarify controversial interpretations of electrical resistivity recovery experiments concerning the mobility of vacancies, self-interstitial atoms, and their clusters. The results on the dissolution and migration properties of helium in -Fe were used to parameterize Rate Theory models and new inter-atomic potentials, which improved the understanding of fusion reactor materials behavior. Finally, the effects of carbon, present in all steels as the principal hardening element, are also shown. To cite this article: C.C. Fu, F. Willaime, C. R. Physique 9 (2008).

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Résumé

Les simulations prédictives de lʼévolution de la population de défauts dans un matériau sous ou après irradiation peuvent être effectuées dans une approche multi-échelle, où les propriétés à lʼéchelle atomique sont déterminées par des calculs de structure électronique basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité puis utilisées comme données dʼentrée dans des simulations de cinétique couvrant des échelles de temps et dʼespace macroscopiques. Nous présentons les avancées récentes obtenues dans ce domaine dans le fer. Suite à la mise en évidence dʼun mécanisme de migration tri-dimensionnel des auto-interstitiels au lieu dʼun glissement rapide unidimensionnel, le scénario de lʼévolution des défauts dʼirradiation basé sur les prédictions venant des potentiels empiriques a été complètement révisé. Un couplage entre calculs ab initio et simulations de Monte Carlo cinétique a permis de clarifier lʼinterprétation controversée des expériences de recuit de résistivité, en ce qui concerne la mobilité des lacunes et interstitiels et de leurs amas. Les résultats sur les propriétés de mise en solution et de migration de lʼhélium dans le fer , ont été utilisés comme données dʼentrée de modèles de cinétique chimique ainsi que pour ajuster des nouveaux potentiels empiriques. Les études associées contribuent à une meilleure compréhension du devenir de lʼhélium dans les matériaux des centrales nucléaires à fusion. Enfin, nous montrons lʼeffet que le carbone, présent dans tous les aciers comme principal élément durcissant, peut avoir sur les phénomènes étudiés. Pour citer cet article : C.C. Fu, F. Willaime, C. R. Physique 9 (2008).

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Keywords : First principles, Iron, Helium, Carbon, Radiation damage, Defects

Mots-clés : Calculs ab initio, Fer, Hélium, Carbone, Dégât par rayonnement, Défauts




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