Simulación atomística de la producción y evolución de defectos en aleaciones basadas en Fe debido a la irradiación

Resumen

Esta tesis doctoral se centra en el estudio a nivel atómico de la producción de defectos en aleaciones basadas en Fe, particularmente aleaciones de Fe-Cr, debido a la interacción con partículas energéticas. Uno de los grandes retos a los que se enfrenta la energía de fusión es el desarrollo de materiales resistentes a los altos niveles de radiación a los que se verán sometidos. La falta de fuentes de radiación que reproduzcan las condiciones que existirán en los reactores de fusión hace necesario el desarrollo de modelos que permitan extrapolar los resultados experimentales obtenidos con fuentes de radiación como iones o neutrones de fisión, a las condiciones de fusión. Tales modelos sólo son posibles si se conoce el comportamiento del material bajo irradiación a nivel fundamental, desde la formación de defectos a nivel atómico y en tiempos de picosegundos, hasta la evolución de estos defectos a tiempos de horas o incluso años. Este tipo de simulaciones requiere de la unión de varios métodos de cálculo distintos en lo que se denomina modelización multiescala. Además, el desarrollo de estos modelos requiere de una validación de los resultados obtenidos a través de comparaciones con experimentos. La radiación de los materiales con iones y su caracterización mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM por sus siglas en inglés, Transmission Electron Microscopy), son las técnicas de referencia para validar los modelos. Es importante tener en cuenta las diferencias entre irradiación con iones e irradiación con neutrones, especialmente cuando la irradiación con iones se lleva a cabo mientras el material está siendo observado con TEM (TEM in-situ), ya que requiere que la muestra sea una lámina muy fina, en comparación con la irradiación con neutrones que sucede en el interior del material (bulk). Uno de los materiales de mayor interés para la fusión son las aleaciones de Fe, consideradas como el principal candidato para los materiales estructurales de estos reactores. Debemos así pues comprender los cambios en las propiedades mecánicas de estos materiales debido a la producción de defectos. En esta tesis doctoral se han utilizado tres técnicas de simulación para estudiar los procesos de formación y de evolución de defectos en hierro y en Fe-Cr, centrándonos en estudiar las diferencias entre irradiación en capas finas y en muestras en volumen . En primer lugar se ha utilizado la técnica de Dinámica Molecular con potenciales empíricos para estudiar cómo se produce el daño en los primeros picosegundos después de la irradiación. Con esta técnica hemos calculado el número y tipo de defectos que se producen al irradiar con iones de Fe láminas finas de este mismo material para TEM in-situ, así como muestras de bulk. La base de datos obtenida de cascadas de desplazamiento se ha utilizado a continuación como entrada al método de simulación de Monte Carlo Cinético para analizar la evolución del daño primario por la interacción y difusión de los defectos. Finalmente hemos utilizado algunas de las cascadas para simular imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM). Los resultados obtenidos con cada técnica se han comparado con resultados experimentales de otros grupos de investigación del mismo proyecto y con experimentos diseñados y realizados por este mismo grupo.