Reconsidering damage production and radiation mixing in materials
An international team of researchers present new mathematical equations that with minimal increase in computational complexity allow for accurate and experimentally testable predictions.

Understanding the nature of radiation damage in materials is of paramount importance for controlling the safety of nuclear reactors, using ion implantation in semiconductor technology, and designing reliable devices in space.
The standard approach to estimating the radiation damage in materials analytically has been for more than 60 years a simple equation, known as “Kinchin-Pease”. However, the so called “displacements-per-atom” (dpa) number obtained from this equation does not in common metals usually correspond to any physically measurable quantity. This was established experimentally about 40 years ago, and computer simulations carried out during the last 25 years have firmly established the physical reason to this.
“The explanation is, in brief, that in metals, irradiation produces on picosecond time scales a liquid-like zone, which during the cooling-down phase recombines much of the initially produced damage, leading to a factor of 1/3 reduction in damage”, says Professor Kai Nordlund who was in lead of the team on search for more accurate predictions of usability of materials in nuclear environments, that now present their results freshly in Nature Communications.
“On the other hand, the formation of the transient liquid leads to a massive amount of atoms in the crystal, about a factor of 30 more than the dpa value, being replaced by others after the liquid has cooled down”, he says.
Formulating two new equations to correct the problem
Even though these issues are well established, there has until now been no attempt to correct the problems of the standard dpa equations.
In their article “Improving atomic displacement and replacement calculations with physically realistic damage models” published in Nature Communications, the scientists present the outcome of a reconsideration of the issue. It lead to the formulation of two new equations, the “athermal recombination-corrected dpa” (arc-dpa) and the replacements-per-atom (rpa) functions, that with a minimal increase in computational complexity allows for accurate and experimentally testable predictions of damage production and radiation mixing in materials.
The researchers expect that the new equations will be a basis for formulating more reliable and efficient predictions of the usable lifetime of materials in nuclear reactors and other environments with high levels of ionizing radiation. This is especially important for formulating fusion and new kinds of fission nuclear power plants.
Source:
Improving atomic displacement and replacement calculations with physically realistic damage models, http://rdcu.be/I1kO, DOI 10.1038/s41467-018-03415-5, Nature Communications, 14.3.2018
Image by Andrea Sand, University of Helsinki
Image text:
Left: Illustration of the number of defects in materials predicted by the old “Kinchin-Pease” equation; Right: Illustration of the actual number of remaining damage, consistent with the prediction of the new model.
Contact:
Professor Kai Nordlund, University of Helsinki, +358 50 415 6815, @kai_nordlund, kai.nordlund@helsinki.fi
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Minna Meriläinen-TenhuScience communicator
+358 50 415 0316minna.merilainen@helsinki.fiKuvat
Tietoja julkaisijasta
Helsingin yliopisto on yli 40 000 opiskelijan ja työntekijän kansainvälinen tiedeyhteisö, joka toimii neljällä kampuksella Helsingissä ja usealla muulla paikkakunnalla Suomessa. Se on toistuvasti maailman sadan parhaan yliopiston joukossa. Helsingin yliopisto on perustettu vuonna 1640.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista jo ennen kuin ne uutisoidaan? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi yhtä aikaa suomalaisen median kanssa. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Helsingin yliopisto
Uutta tietoa sydämen vajaatoiminnan geneettisistä taustamekanismeista23.4.2018 08:06 | Tiedote
Väitöstutkimus paljasti uutta tietoa sydämen vajaatoiminnan mekanismeista ja osoitti myös, ettei suomalaisessa väestössä ei ole yleisiä geenimuotoja, jotka merkittävästi altistaisivat harvinaiselle Takotsubo-sydänlihastaudille.
Väitös: Työllistymisen edistämisessä tarvitaan hallinnonalojen ja palvelujen yhteensovittamista23.4.2018 08:00 | Tiedote
Vastuiden siirtelyn hallinnonalalta toiselle on loputtava, mikäli vaikeasti työllistyvien työllistymistä halutaan tukea, toteaa tuore Helsingin yliopistossa tarkastettava yhteiskuntapolitiikan väitöstutkimus.
Rahkasammalen ja bakteerin yhteistyöllä torjutaan metaanipäästöjä ja vahvistetaan hiilinielua20.4.2018 12:52 | Tiedote
Pohjoisten soiden yleisin kasvi, rahkasammal, on oleellinen paitsi turpeen kertymiselle, myös metaanipäästöjen torjunnalle. Tämän mahdollistavat rahkasammalissa elävät metaania hapettavat bakteerit.
Vuoden paras päihdeaiheinen tutkimusartikkeli paljasti uutta tietoa alkoholin vaikutuksista sikiöön19.4.2018 13:00 | Tiedote
Alkoholi- ja huumetutkijain seura on palkinnut vuoden parhaana päihdeaiheisena tutkimusartikkelina Heidi Marjosen, Hanna Kahilan ja Nina Kaminen-Aholan artikkelin raskaudenaikaisen alkoholialtistuksen genotyyppikohtaisista vaikutuksista istukan geenien säätelyyn ja vastasyntyneen päänympärykseen.
Tutkimus aggressiivisen NK-soluleukemian taustamekanismeista avaa tietä lääkehoidon kehittämiseen19.4.2018 12:00 | Tiedote
Helsingin yliopiston tutkijoiden johtamassa kansainvälisessä tutkimuksessa löydettiin uutta tietoa harvinaisesta aggressiivisesta NK-soluleukemiasta. Tutkijat löysivät myös potentiaalisia lääkeaineita tämän nopeasti kuolemaan johtavan syövän hoitoon.
Ehdokkaat kansainvälisen LUMA StarT Award 2018 -palkinnonsaajaksi valittu18.4.2018 14:44 | Tiedote
Kansainväliset International LUMA StarT Award –palkinnot jaetaan toista kertaa 5.6.2018. Opetushallituksen pääjohtaja Olli-Pekka Heinonen ojentaa palkinnot päätuomariston valitsemille voittajille. Palkittavat valitaan nyt julkistettavien ehdokkaiden joukosta.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki STT Infossa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme