Моделирование кинетики фазовых переходов в конструкционных материалах ядерной техники

Исследовалась кинетика фазовых переходов в конструкционных материалах ядерной техники с помощью континуального метода функционала плотности свободной энергии, атомистического моделирования методами молекулярной динамики и статики и аномально-диффузионной модели на основе кинетических уравнений с производными дробного порядка. На основе метода функционала плотности свободной энергии создана модель фазового перехода первого рода в бинарных сплавах. Данная модель позволила удовлетворительно описать фазовый переход, протекающий в бинарных системах по механизму зарождения-роста. При этом установлены закономерности смены стадий, скорости роста второй фазы, особенности эволюции функции распределения по размерам, автокорреляционной функции и структурного фактора. При этом были рассмотрены случаи постоянной подвижности и подвижности, зависящей от локального состава, а также когда учитывается наличие термических флуктуаций. Кроме того, выявлены условия формирования зародышей второй фазы, рассчитана нестационарная скорость нуклеации. Модель успешно применена для анализа кинетики образования альфа-штрих фазы в сплавах на основе системы железо - хром. Также создана обобщенная модель неклассической нуклеации, в которой все кинетические коэффициенты определяются на основе уравнения детерминированного или стохастического уравнения Кана - Хилларда. Методами атомистического моделирования исследованы процессы первичного радиационного повреждения сплавов FeCr и ZrNb, влияние на особенности развития каскадных процессов деформации материала и его внутренней структуры (границы зерна, выделения вторых фаз). Проведено моделирование распределения фаз вблизи границ зерна сплава FeCr. Получены расчетные оценки энергетических характеристик обогащенных хромом шаровых преципитатов различного состава и размера в бинарном сплаве FeCr. Изучена диффузия собственных междоузельных атомов вблизи границ зерен в ОЦК железе и самодиффузия по междоузельному механизму в Fe, Cr и сплаве FeCr. Получены соответствующие оценки коэффициентов диффузии. Изучено влияние сжимающей и растягивающей упругой деформации на коэффициент диффузии и энергию её активации. Разработаны алгоритм и программа для моделирования методом Монте-Карло прыжкового транспорта легких элементов (водорода, дейтерия, гелия) в неупорядоченных материалах с границами зерен с целью анализа поверхностных дефектных слоев в обращенных к плазме материалов термоядерного реактора. Темпы прыжковой диффузии элементов определяются соотношением Миллера - Абрахамса, ловушки распределены по энергии согласно экспоненциальному, гауссову, дискретному распределению. Характеристики ловушек и их концентрация зависят от локального состава. Выявлены режимы аномальной диффузии вдоль межзеренной границы. К интерпретации результатов применены классическая и обобщенная модели Фишера диффузии по границам зерен с учетом локализации в дефектных состояниях, распределенных по энергии. Совместный учет топологического и энергетического беспорядка произведен на основе моделей многократного захвата и прыжкового транспорта на перколяционном кластере Скала - Шкловского - де-Жена, моделирующем перколяционный характер траекторий в консолидированных материалах. Действие параллельных механизмов было рассмотрено в рамках случайных блужданий (CTRW-модель) со смесью распределений времен локализации. В рамках перечисленных моделей получены уравнения аномальной диффузии с производными по времени дробного порядка. С помощью полученных уравнений рассчитана кинетика роста выделений второй фазы с учетом структурного топологического и энергетического беспорядка в системе. Основные положения дробно-дифференциальной модели субдиффузионно-ограниченного роста второй фазы тестировались на суперкомпьютере НИТИ УлГУ с помощью молекулярной динамики и адаптивного кинетического метода Монте-Карло, реализованных в программе QuantumATK (Synopsys).