Naukowcy z Centrum Doskonałości NOMATEN w Narodowym Centrum Badań Jądrowych oraz CEA Paris-Saclay stworzyli wieloskalową metodę określania mobilności defektów radiacyjnych wywoływanych promieniowaniem jonizującym. Nowe podejście łączy symulacje numeryczne, hydrodynamikę oraz dane eksperymentalne i stanowi nowe narzędzie do określania zachowania materiałów poddanych wpływowi promieniowania, np. w reaktorach jądrowych.

Powszechnie wiadomo, że w materiale bombardowanym naładowanymi cząstkami lub neutronami powstają nowe mikrostruktury, których obecność może zmieniać właściwości mechaniczne, co w końcu powoduje jego degradację. Jest to szczególnie istotne w komponentach elektrowni jądrowych, gdzie odporność na promieniowanie jest kluczowym zagadnieniem z perspektywy bezpieczeństwa eksploatacji. Nowoczesne techniki eksperymentalne pozwalają na bezpośrednią obserwację takich zmian mikrostruktury, a w zależności od wybranej metody, badania można prowadzić w precyzyjnie kontrolowanych warunkach (rodzaj i dawka promieniowania, temperatura, etc.). Powszechnie stosowanymi uzupełnieniami eksperymentów są symulacje i modelowanie rzeczywistych procesów. W przypadku zniszczeń radiacyjnych wyzwanie stanowi zarówno ich rozmiar (od nanometrów dla pojedynczych mikrostruktur do metrów dla całych komponentów), jak i skala czasowa (od pikosekund do dziesiątek lat). Alternatywą może być tzw. metoda pola fazowego (ang. Phase Field method), która wymaga mniejszej liczby parametrów, niż w przypadku kinetycznych symulacji Monte Carlo.

W nowej pracy, która ukazała się niedawno w prestiżowym czasopiśmie Acta Materialia, grupa naukowców z Centrum Doskonałości NOMATEN w NCBJ oraz CEA Paris-Saclay połączyła symulacje dynamiki molekularnej (MD), metodę pola fazowego z wykorzystaniem hydrodynamiki oraz pomiary eksperymentalne wykonane za pomocą techniki atomowej tomografii sondowej (Atom Probe Tomography, APT). Innowacją w opublikowanej pracy było określenie nie tylko tzw. stanów stabilnych defektów radiacyjnych wywołanych napromienianiem, lecz także ich kinetyki. Pozwoliło to zbadać spowodowaną promieniowaniem mobilność w materiale oraz lepiej zrozumieć proces powstawania mikrostruktury defektów. Badania przeprowadzono na ultraczystym stopie FeCr zdefektowanym jonami żelaza. Jest to stop powszechnie wykorzystywany do modelowania zachowań stali ferrytyczno-martenzytycznej, uważanej za jeden z najbardziej obiecujących materiałów konstrukcyjnych przyszłych reaktorów jądrowych IV generacji.

– Nasza metoda umożliwia wyznaczenie mobilności defektów wywołanych promieniowaniem, co zwykle stanowi wyzwanie ze względu na dużą liczbę parametrów niezbędnych do opisu tego zjawiska. Przedstawione w pracy multiskalowe podejście wykorzystuje symulacje numeryczne na poziomie atomowym, a jednocześnie bazuje na danych eksperymentalnych. To pozwala nam nie tylko uzyskać informacje dotyczące formowania mikrostruktur wynikających z działania promieniowania, lecz także prześledzić ich kinetykę. W przypadku FeCr, nasza metoda wyjaśnia, dlaczego obszary bogate w chrom pojawiają się jedynie w niskich temperaturach i pod wpływem niskich dawek promieniowania – wyjaśnia dr hab. Francisco Javier Dominguez Gutierrez, kierownik grupy badawczej w Centrum Doskonałości NOMATEN w NCBJ.

Nowe podejście zaprojektowano tak, aby można je było wykorzystać w różnych materiałach. Potwierdzenie jego skuteczności dla stopu FeCr wskazuje, że opracowane narzędzie może posłużyć do badania wpływu promieniowania m.in. innych elementów konstrukcyjnych czy nawet samego paliwa w reaktorach jądrowych. Dzięki lepszemu zrozumieniu zachodzących zjawisk wywołanych promieniowaniem, zarówno obecne, jak i przyszłe technologie jądrowe będą bezpieczniejsze.

Wyniki badań są dostępne w publikacji: D. Simeone, B. Mahe, F.J. Dominguez-Gutierrez, O. Tissot, L. Luneville, An experimental-based multiscale method for calculating radiation-enhanced mobility in solids: Application to radiation-induced microstructure in FeCr, Acta Materialia, Volume 317, 2026, 122514, ISSN 1359-6454, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122514. 

Prace te zrealizowano w ramach projektu NOMATEN, dzięki któremu grupa z NCBJ jest wspierana przez strategicznego partnera projektu, francuskie CEA.