Reconsidering damage production and radiation mixing in materials
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
Keywords
Contacts
Minna Meriläinen-TenhuScience communicator
Tel:+358 50 415 0316minna.merilainen@helsinki.fiImages
About Helsingin yliopisto
PL 3
00014 Helsingin yliopisto
02941 22622 (mediapalvelu) 02941 911 (vaihde) (vaihde)https://www.helsinki.fi/fi/yliopisto
Helsingin yliopisto on yli 40 000 opiskelijan ja työntekijän kansainvälinen yhteisö, joka tuottaa tieteen voimalla kestävää tulevaisuutta koko maailman parhaaksi. Kansainvälisissä yliopistovertailuissa Helsingin yliopisto sijoittuu maailman parhaan yhden prosentin joukkoon. Monitieteinen yliopisto toimii neljällä kampuksella Helsingissä sekä Lahden, Mikkelin ja Seinäjoen yliopistokeskuksissa. Lisäksi sillä on kuusi tutkimusasemaa eri puolilla Suomea ja yksi Keniassa. Yliopisto on perustettu vuonna 1640.
Subscribe to releases from Helsingin yliopisto
Subscribe to all the latest releases from Helsingin yliopisto by registering your e-mail address below. You can unsubscribe at any time.
Latest releases from Helsingin yliopisto
Sadutuksesta saa apua traumaattisten tilanteiden käsittelyyn19.3.2024 09:16:36 EET | Tiedote
Elämme epävarmaa aikaa. Sotiin ja ilmastonmuutoksiin on hankala saada ratkaisuja, jos keskusteluyhteys ei toimi. Tarvitaan tilaisuuksia ja menetelmiä omien ajatusten ilmaisuun, toisen kuunteluun sekä dialogin synnyttämiseen. Siihen voi harjaantua jo lapsesta, mutta myös aikuinen voi oppia sadutuksesta.
Kutsu medialle: 100 lajia -haasteen maastoretki toimittajille Kumpulan kasvitieteellisessä puutarhassa 25.3.202418.3.2024 07:15:00 EET | Kutsu
Tervetuloa urbaanille maastoretkelle Kumpulan kasvitieteelliseen puutarhaan! Luonnontieteellisen keskusmuseon asiantuntijat kertovat kaikelle kansalle tarkoitetusta 100 lajia –haasteesta ja esittelevät alueelta löytyviä kasveja, sieniä ja jäkäliä.
70 prosenttia oli tyytyväisiä suomalaisen median koronauutisointiin, 20 prosenttia ei luottanut uutisiin14.3.2024 10:00:00 EET | Tiedote
Pandemian kaltaisessa kriisitilanteessa ihmiset toivovat uutismedialta tasapuolisuutta ja huoliin vastaamista. Tuore tutkimus tuo esiin myös mediakentän hajautumisen ja monipuolistumisen vaikutuksia kriisiviestintään.
Työn ja perheen yhteensovittamisen vaikeudet lisäsivät kuntatyöntekijöiden poissaoloja13.3.2024 08:30:00 EET | Tiedote
Työn ja perheen yhteensovittamisen haasteet olivat yhteydessä sekä lyhyisiin että pitkiin sairauspoissaoloihin Helsingin kaupungin työntekijöillä.
Kuluttajien taloustaitojen merkitys korostuu haastavina aikoina11.3.2024 10:57:53 EET | Tiedote
Inflaatio ja sähkön hinnan muutokset haastavat kuluttajia. Koulujen talousopetuksella on keskeinen rooli arjen taloustaitojen vahvistajana.
In our pressroom you can read all our latest releases, find our press contacts, images, documents and other relevant information about us.
Visit our pressroom