Tesis:
Simulación atomística computacional de la producción de daño por irradiación neutrónica en el carburo de silicio
- Autor: MALERBA, Lorenzo
- Título: Simulación atomística computacional de la producción de daño por irradiación neutrónica en el carburo de silicio
- Fecha: 2000
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA NUCLEAR
- Acceso electrónico:
- Director/a 1º: PERLADO MARTIN, José Manuel
- Resumen: La viabilidad de los futuros reactores de fusión nuclear depende en gran medida de la posibilidad de desarrollar materiales capaces de soportar las condiciones de irradiación extremas a las que se verían sometidos en un reactor, activándose además lo menos posible. El carburo de silicio (SiC), material cerámico refractario capaz de conservar inalteradas sus buenas propiedades termomecánicas hasta temperaturas superiores a los 1000 K, ha sido seleccionado desde hace tiempo como candidato para material estructural de la primera pared y envoltura de un reactor de fusión, por su comprobada baja activación en entornos irradiados. Sin embargo, queda por ver si su respuesta a la irradiación, en particular neutrónica es adecuada, esto es, si sus propiedades termomecánicas se conservan de forma satisfactoria bajo irradiación intensa y prolongada. Hoy en día los expertos coinciden en sostener que un estudio de los efectos de la radiación en los materiales que tenga como objetivo conseguir capacidad predictiva no puede prescindir de un entendimiento detallado de los múltiples y complejos sucesos microscópicos que tienen lugar en el material irradiado. Desgraciadamente a través de experimentos es muy difícil si no imposible obtener información directa sobre el estado de daño producido por la radiación, debido a la corta duración de fenómenos como las cascadas de desplazamientos (pocos picosegundos) y a la minúscula escala espacial abarcada por los defectos primarios (pocos nanómetros). Las simulaciones atomísticas computacionales, gracias a la creciente capacidad de cálculo ofrecida por las máquinas computadoras, constituyen en cambio una herramienta adecuada para esta tarea. En particular, la dinámica molecular (DM) es la técnica computacional por excelencia para el estudio de la fase de producción de daño. El alma de esta metodología, que consiste en su esencia en la integración de las ecuaciones del movimiento para un conjunto de átomos, es el potencial interatómico. El potencial clásico semiempírico de Tersoff ha demostrado desde hace tiempo su capacidad para describir correctamente las propiedades del SiC. En esta tesis se emplea un modelo de DM basado en el potencial de Tersoff y optimizado para el análisis del daño por irradiación, para estudiar por primera vez de forma sistemática la fase de producción de defectos en el SiC irradiado. El trabajo empieza por el examen detallado del desplazamiento de un sólo átomo golpeado, para analizar los defectos formados en función de la dirección de movimiento del átomo y de la temperatura de irradiación, determinando las correspondientes energías umbrales desplazamiento. Al intentar llevar a cabo esta última tarea, el estudio choca con las dificultades planteadas por el descubrimiento de la existencia de barreras a la recombinación de los pares de Frenkel, que permiten la formación de defectos metaestables y determinan la necesidad de definir dos umbrales, uno inferior y uno superior, planteando dudas acerca de la legitimidad del propio concepto de umbral de desplazamiento. El paso siguiente es examinar la producción simultánea y masiva de desplazamientos en cascada, para analizar cómo el número de defectos generados depende de variables tales como la energía y la dirección del átomo primario de retroceso (APR) y la temperatura de irradiación. Los resultados en gran parte novedosos proporcionan a la vez información cuantitativa de utilidad práctica y cualitativa capaz de contribuir a un conocimiento más profundo de los efectos de la radiación en el SiC. Finalmente se llega a considerar el caso de acumulación de cascadas en una misma región del material. Experimentalmente se sabe que esta última situación conduce a la amorfización (metamictización) del material. La simulación ha sabido no solamente reproducir correctamente esta manifestación, sino también ofrecer una clave para la comprensión de los fenómenos microscópicos que llevan a la aparición del cambio de fase de cristalino a amorfo. Es más, los resultados de la simulación han dado lugar a la elaboración de un modelo analítico sencillo, capaz de interpolar correctamente curvas de datos experimentales. También se ha empezado a calcular parámetros de energética de defectos, con el objetivo futuro de pasar a simulaciones de difusión en el SiC por Monte Carlo. Para seguir con esta tarea se ha planteado la conveniencia de desarrollar un modelo de DM (Cuántica Tightbinding) cuya elaboración acaba de comenzar