بررسي اثر كاشت تيتانيوم در ساختار بلوري زيركونيوم با استفاده از نظريه تابعي چگالي

Study of the effect of titanium implantation on the zirconium crystal structure using density functional theory

در راكتورهاي هسته اي، قرار گرفتن غلاف سوخت در مجاورت آب خنك كننده مي تواند منجر به توليد وپخش هيدروژن در شبكه ي غلاف شده و در نتيجه باعث ترد شدگي غلاف گردد. يكي از روش ها براي كاهش نفوذ هيدروژن، كاشت عنصر تيتانيوم و تشكيل آلياژ Zr(1-x)Ti(x) به روش كندوپاش در سطح غلاف سوخت مي باشد. آزمايشات انجام شده در حين كاشت نشان مي دهد كه با افزودن تيتانيوم، ساختار اصلي زيركونيوم (hcp) حفظ شده و نسبت c/a شبكه افزايش مي يابد. در اين پژوهش، ما در چارچوب نظريه تابعي چگالي و محاسبات ابتدا به ساكن، به ازاي غلظتهاي ناخالصي 6%، 2%، و 8/0% پايداري ساختاري، انرژي جذب تيتانيوم و تغييرات c/a را بررسي نموده ايم. نتايج به دست آمده نشان مي دهد كه به ازاي غلظتهاي پايين ناخالصي، ساختار hcp با دقت خوبي حفظ شده ولي به ازاي غلظت 6% ساختار hcp به هم مي خورد. اين نتايج توافق خوبي را با تجربه نشان مي دهد و از طرف ديگر حاكي از آن است كه غلظت تيتانيوم كاشت شده در آزمايش كمتر از 8/0% مي باشد.

In nuclear reactors, the fuel cladding in contact with the coolant water gives rise to generation and diffusion of hydrogen into the cladding and thereafter leads to its embrittlement. One of the ways to reduce the hydrogen diffusion is the implantation of Ti atoms and formation of Zr(1-x)Ti(x) alloy on the surface of the fuel cladding using the sputtering method. Experiments in the course of implantation show that increasing the Ti concentration, do not destroy the hcp structure of the pure Zr crystal, but increase the c/a ratio. In this work, in the context of the density functional theory and first-principles calculations, we have studied the structural stability, the absorption energy of Ti as well as the changes of c/a ratio with respect to Ti concentration. The results show that for low impurity concentrations, to a good approximation, the hcp structure is maintained but for 6% concentration the hcp structure is destroyed. The results are in good agreement with the experiment and on the other hand imply that the concentration of Ti in the experiment was less than 0.8%.