نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکدة فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران

چکیده

نقیصه‌های بلوری نقش بسیار مؤثری در استحکام و خواص مکانیکی مواد دارند. آلیاژ Zr- 1%Nb به دلیل سطح مقطع جذب پایین برای نوترون‌های حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی در آب، و همچنین خواص مکانیکی مناسب، کاربرد وسیعی در راکتورهای هسته‌ای دارد. این آلیاژ در دماهای پایین و به ازای غلظت‌های کم نیوبیوم، ساختار HCP دارد. در این پژوهش ما با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن نظریة تابعی چگالی و همچنین استفاده از پتانسیل بین اتمی در دینامیک مولکولی، به بررسی خواص نقیصه‌های نقطه‌ای مانند تهی- جای و خود- بین- نشین در ساختار زیرکونیوم خالص پرداخته‌ایم. انرژی و حجم تشکیل تهی- جای و خود- بین- نشین محاسبه شده‌اند و نتایج توافق خوبی با تجربه دارد. کمیت‌های فوق در مورد آلیاژ Zr- 1%Nb نیز به دست آمده‌اند و نتایج تفاوت چندانی با مورد Zr خالص نشان نمی‌دهند. همچنین برهم‌کنش بین دو تهی- جای بررسی شده و با محاسبة انرژی پیوندی خوشه‌های تهی- جای دوتایی برای پیکربندی‌های متفاوت نشان داده شده که فقط خوشه‌هایی پایدارند که در آنها تهی- جای‌ها در همسایگی اول قرار داشته باشند. در نهایت انرژی جابه‌جایی یک تهی- جای در صفحه قاعده نیز محاسبه شد که توافق خوبی با مقدار تجربی دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The study of the properties of point defects in pure-Zr and Zr-1%Nb alloy using density-functional theory and atomic simulation

نویسندگان [English]

  • M Payami Shabestar
  • M R Basaadat

Physics and Accelerators Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, Tehran, Iran

چکیده [English]

Crystal defects play an important role in the material strength and its mechanical properties. The Zr-1%Nb alloy, because of its low cross-section for thermal-neutron capture, corrosion resistance in water and suitable mechanical properties, is widely used in nuclear reactors. This alloy has an HCP structure at low temperatures and for low concentrations of Nb impurity. In this work, using the first-principles density-functional theory calculations, as well as molecular dynamics calculations with interatomic potentials, we have investigated the properties of vacancy and self-interstitial point defects in pure zirconium. The formation energy and formation volume are calculated; the results show a good agreement with the  experimental values. These quantities are calculated for the Zr-1%Nb alloy as well; the  results do not show any significant differences with those of the pure Zr. In addition, the interaction between two vacancies is investigated; by the calculation of the binding energies for di-vacancy clusters in different configurations, it is shown that only those clusters are stable for which the vacancies are in the first neighbor positions. Finally, the displacement energy of a vacancy in the basal plane is calculated, showing a  good agreement with experiment.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nuclear reactor
  • zirconium-niobium alloy
  • crystal defect
  • density-functional theory
  • molecular dynamics

  1. B Cox, Journal of Nuclear Materials 336, 2- 3 (2005) 331.
  2. V O Kharchenko and D O Kharchenko, “Ab- initio calculations for structural properties of Zr- Nb alloys”, arXiv preprint arXiv:1206.7035.
  3. Q Peng, W Ji, J Lian, X -J Chen, H Huang, F Gao, and S De, Scientific Reports 4 (2014) 5735.
  4. P Hohenberg and W Kohn, Phys. Rev. 136 (1964) B864.
  5. W Kohn and L J Sham, Phys. Rev.A 140 (1965) 113.
  6. P Giannozzi, et al., Journal of Physics: Condensed Matter 21, 39 (2009) 395502.
  7. J P Perdew, K Burke, and M Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 3865.
  8. http://lammps.sandia.gov.
  9. D Smirnova, S Starikov, Computational Materials Science 129 (2017) 259.
  10. E S Fisher, C J Renken, Phys. Rev. 135 (1964) A482.
  11. P Ehrhart, “Atomic defects in metals”, Landolt- Bornstein, New Series (1991).
  12. C Domain and A Legris, Philosophical Magazine 85, 4- 7 (2005) 569.
  13. J Barré, A R Bishop, T Lookman, and A Saxena, Physical Review B 74, 2 (2006) 024104.
  14. C Varvenne, O Mackain, and E Clouet, Acta Materialia 78 (2014) 65.
  15. W Wolfer, 1.01 - fundamental properties of defects in metals, in: R. J. Konings (Ed.), “Comprehensive Nuclear Materials ”, Elsevier, Oxford (2012).
  16. Henkelman, Graeme, B P Uberuaga, and H Jónsson, The Journal of Chemical Physics 113, 22 (2000) 9901.

H H Neely, Radiation Effects 3, 2 (1970) 189.

تحت نظارت وف ایرانی