Компьютерный дизайн новых перспективных конструкционных материалов для ядерной энергетики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00193

НазваниеКомпьютерный дизайн новых перспективных конструкционных материалов для ядерной энергетики

Руководитель Пономарева Алена Валерьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые слова моделирование материалов, первые принципы, генезис новых материалов, машинное обучение, радиационно-стойкие материалы

Код ГРНТИ29.19.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Производство ядерной энергии вносит значительный вклад в решение одной из самых важных глобальных проблем – сокращение выбросов углерода. Ключевым элементом является подготовка к разработке и демонстрации передовых технологий реакторов на быстрых нейтронах IV поколения, связанных с замкнутым топливным циклом для повышения устойчивости ядерной энергетики за счет более эффективного использования ресурсов ядерного топлива, минимизации высокоактивных радиоактивных отходов и повышенной безопасностью. Задача, требующая решения перед полноценным проектированием реакторных установок – обеспечение разрабатываемых систем конструкционными материалами. Усовершенствованные материалы позволят улучшить характеристики реактора за счет увеличения запаса прочности и вариативности конструкций. Они должны иметь повышенную прочность, сопротивление термической ползучести и превосходную стойкость к коррозии и повреждению нейтронным излучением. Основная цель настоящего проекта – получить фундаментальное знание о свойствах перспективных радиационно-стойких материалов и спрогнозировать характеристики новых материалов. Для достижения этой цели мы будем использовать квантовомеханические расчеты, использовать инструменты машинного обучения и искусственного интеллекта для их исследования. Целевой задачей проекта будет способствование ускоренному проектированию материалов для реакторов IV поколения. Фундаментальные знания о конструкционных материалах с высокими эксплуатационными характеристиками, разработанные в этом проекте, будут иметь значение для будущего успеха предлагаемых термоядерных реакторов, в которых конструкции будут подвергаться беспрецедентным потокам нейтронов высокой энергии наряду с интенсивными термомеханическими напряжениями. В рамках проекта мы сосредоточимся на следующих ключевых задачах: 1) Разработка квантово-механических методов моделирования свойств ядерных материалов в условиях эксплуатации, включающих сочетание экстремальных внешних факторов. Современные расчеты в рамках теории функционала плотности (DFT) по-прежнему выполняются в основном в идеализированных условиях, таких как нулевая температура, идеальный (ферромагнитный) порядок, и статические положения атомов в системе. Результаты работы позволят реализовать моделирование материалов для ядерной энергетики в условиях их эксплуатации: при высоких температурах, значительных напряжениях и при наличии радиационных дефектов. 2) Разработка и применение методов машинного обучения (МО) и искусственного интеллекта (ИИ) для ускоренного проектирования ядерных материалов следующего поколения. Хорошо известные ограничения этого подхода связаны с проблемами экстраполяции моделей за пределы данных, на которых они были обучены. Мы будем решать эту проблему в рамках схемы активного обучения. Для увеличения масштаба времени и размера систем моделирования и для объединения различных этапов многомасштабного моделирования мы будем использовать новую модель построения межатомных потенциалов с использованием методов МО. Использование разработанных методик будет направлено на широкий класс материалов для реакторов деления IV поколения и термоядерного синтеза: реакторные стали и сплавы систем Fe-Cr-X, композиты SiC, сплавы на основе W, высокоэнтропийные сплавы. Отличием предлагаемого проекта является возможность исследования характеристических свойств материалов: фазовую стабильность, модули упругости, магнитные свойства, транспортные свойства, такие как теплопроводность, диффузия и т. д. Увеличение масштаба времени и размеров наших моделей в рамках многомасштабного подхода, а также использование методов МО/ИИ позволит исследовать свойства материалов, имеющие большое значение для инженерных и конструкторских приложений, такие как твердость, пластичность, прочность, стойкость в условиях эксплуатации (коррозия, жаростойкость, жаропрочность).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пономарева А.В. Упругие свойства B2-NiAl с добавлением W: исследование из первых принципов. Физика твердого тела, том 65, вып.1, стр.20-25 (год публикации - 2023)
10.21883/FTT.2023.01.53917.477

2. Уоллс Б.; Муртаг О .; Божко С.И.; Ионов А .; Мазилкин А.А.; Малларки Д.; Жусупбекова А.; Шулятьев Д.А.; Жусупбеков К.; Андреев Н.; Табачкова Н.; Швец И.В VOx Phase Mixture of Reduced Single Crystalline V2O5: VO2 Resistive Switching Materials, 15(21), 7652 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15217652

3. Смирнова Е. А., Караваев К. В., Пономарева А. В. Data‑driven study of dilute aluminum alloys Journal of Materials Research, 38, 3850–3860 (год публикации - 2023)
10.1557/s43578-023-01102-w

4. Ланиэль Д., Трибель Ф., Асландуков А., Хандархаева С., Федотенко Т., Инь Ю., Миядзима Н., Таснади Ф., Пономарева А. В., …, Абрикосов И. А, Дубровинский Л., Дубровинская Н. Synthesis of Ultra-Incompressible and Recoverable Carbon Nitrides Featuring CN4 Tetrahedra Advanced Materials, 2023, 2308030 (год публикации - 2023)
10.1002/adma.202308030

5. Пономарева А.В., Смирнова Е.А. Ab initio исследование влияния Al на энтальпию растворения примеси углерода в парамагнитном ГЦК Fe-Mn сплаве Журнал экспериментальной и теоретической физики, том 162, выпуск 6(12), стр.957-967 (год публикации - 2022)
10.31857/S004445102212015X

6. Коротаев П., Янилкин А. Steels classification by machine learning and Calphad methods Calphad, 82, 102587 (год публикации - 2023)
10.1016/j.calphad.2023.102587

7. Смирнова Е.А., Пономарева А.В., Шулятев Д.А. Investigation of interstitial carbon in the disordered bcc FeCr alloys, Journal of Alloys and Compounds Journal of Alloys and Compounds , 994, 174696 (год публикации - 2024)

8. Красильников О.М., Векилов Ю. Х. Упругие модули четвертого порядка поликристалла: изотропного агрегата гексагональных монокристаллов Физика твердого тела, том 66, вып. 4, 505 (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.04.57783.57

9. Коротаев П., Янилкин А. Neural networks for prediction of swelling in austenitic steels irradiated by fast neutrons Computational Materials Science , 246, 113408 (год публикации - 2025)

10. Пономарева А.В. Влияние легирования кремнием на термодинамические, магнитные и упругие свойства ОЦК-сплавов Fe-Cr Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, том 165, вып. 3, стр. 410–423 (год публикации - 2024)
10.31857/S0044451024030118

11. Красильников О.М., Векилов Ю.Х. Упругие свойства поликристаллического Fe: эффект давления Физика твердого тела (год публикации - 2026)

Публикации

6. Коротаев П., Янилкин А. Steels classification by machine learning and Calphad methods Calphad, 82, 102587 (год публикации - 2023)
10.1016/j.calphad.2023.102587

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1) Проведено исследование влияния многокомпонентного легирования элементами Al, Mo, Ni, P, W на упругие свойства сплавов и термодинамическую стабильность системы Fe-xCr-2.3Si. Показано, что значения энтальпии смешения тройных и четырехкомпонентных сплавов существенно ниже значений бинарных Fe-Cr сплавов, максимально стабилизационный эффект имеет алюминий и фосфор. Результаты расчетов упругих характеристик демонстрируют интересную особенность. Кривые С11 и С12 при низких концентрациях хрома имеют минимумы, глубина и его расположение зависят от легирующего элемента, в то время как C44 при низком содержании хрома показывает резкий рост. При концентрациях хрома более 10-12 ат.% значения С11 и С12 начинают увеличиваться, а рост значений C44 уменьшается и кривые выходят на плато. Продемонстрировано, что для невысоких концентраций хрома наблюдается увеличение хрупкости разной степени в зависимости от легирующих компонентов, при увеличении содержании хрома рост останавливается. Наибольший ковалентный вклад наблюдается в Fe-xCr-2.3Si-2.3Al сплавах. Стоит особо отметить сплавы системы Fe-xCr-2.3Si-2.3W, которые имеют максимальную долю металлической связи и демонстрируют самое большое сопротивление осевой деформации и всестороннему сжатию. 2) Проведено первопринципное моделирование точечных дефектов в эквиатомном ОЦК сплаве W-Ta-V-Nb с использованием 128-атомной суперячейки. Были получены энергии образования вакансий на месте атомов разного сорта. Показано, что для вакансий, образованных на месте атома вольфрама, характерно увеличение энергии образования вакансии с увеличением числа атомов вольфрама в первой координационной сфере и уменьшение этой энергии при увеличении числа атомов ниобия в ближайшем окружении. Было исследовано формирование дефектов при внедрении междоузельных атомов различного типа. В этом случае после релаксации ячейки наиболее вероятным является дефект типа «гантель», состоящий из 2 или 3 атомов ванадия. Подобные дефекты из 2 атомов ванадия преимущественно располагаются вдоль направления <110>. Тройные «гантели» с углом поворота в диапазоне 160-180° в основном ориентируются вдоль направления <111>. Исследована устойчивость пар Френкеля при различных взаимных расположениях вакансии и междоузельного атома. Релаксации дефекта, в котором вакансия и междоузельный атом находятся в одной октапоре, характеризуются переходом междоузельного атома на место вакансии без значительных изменений в кристаллической решетке. В случае нахождения междоузельного атома и вакансии за пределами ближайшего окружения друг друга, релаксация решетки приводит к сохранению исходной вакансии и преимущественному образованию «гантели» ванадий-ванадий. 3) Дано определение модулей упругости четвертого порядка поликристаллов (коэффициентов Ламе четвертого порядка) при произвольных давлении и температуре путем разложения свободной энергии Гиббса по инвариантам тензора конечных деформаций Лагранжа. Рассмотрен случай поликристалла с произвольно ориентированными зернами гексагональной симметрии. Получены соотношения, определяющие коэффициенты Ламе четвертого порядка через упругие постоянные четвертого порядка монокристаллических зерен. Коэффициенты Ламе второго, третьего и четвертого порядка поликристаллического магния рассчитаны с использованием имеющихся данных по упругим постоянным монокристалла. 4) Было проведено исследование энтальпии растворения азота и механических свойств ОЦК-сплавов Fe-Cr-N в зависимости от химического и магнитного окружения примеси. Показано, что азоту выгодно занимать октаэдрические поры, в которых два атома хрома находятся на первой координационной сфере примеси. Легирование азотом приводит к уменьшению локальных магнитных моментов на атомах решетки в первой координационной сфере. Продемонстрировано, что средние значения упругих модулей незначительно увеличиваются при легировании азотом сплава Fe-Cr. Проведено сравнение термодинамических, магнитных и упругих свойств в сплавах Fe-Cr-C и Fe-Cr-N. Показано, что азот более чувствителен к типу октапоры, в которую он попадает. В обоих случаях октапора, в которой на первой координационной сфере находятся только атомы хрома, является наиболее энергетически выгодной для растворения примеси. Обнаружено, что в отличии от углерода, энтальпия растворения азота имеет интервал отрицательных значений при определенном окружении примесного атома. Показано, что упругие константы и поликристаллические модули сплава обеих систем практически совпадают и имеют схожие корреляции упругих свойств с химическим и магнитным окружением примеси. 5) Проведено теоретическое исследование термодинамических и упругих свойств неупорядоченных ОЦК W-Re и W-Re-C сплавов с диапазоном изменения концентрации рения от 0 до 25 ат.% и концентрацией углерода 2.3 ат.%. Показано, что в сплаве W-Re при повышении содержания рения до 25 ат.% происходит увеличение значения объемного модуля и незначительное уменьшение величин модулей сдвига и Юнга относительно чистого вольфрама. При увеличении концентрации рения до 12.5 ат. % наблюдается монотонное уменьшение параметра G/B, что свидетельствует об улучшении пластичности. При добавлении углерода происходит образование метастабильного пересыщенного твердого раствора и возникает существенное тетрагональное искажение. Показано, что сплавы W-Re-C являются более термодинамически стабильными по сравнению со сплавом W-C. Существенное влияние на свойства W-Re-C по сравнению с W-Re углерод оказывает в области высоких концентраций рения. Показано, что легирование вольфрама рением и углеродом улучшает пластичность сплавов, сохраняя при этом достаточно высокие значения упругих модулей. 6) По открытым источникам собрана база данных по прочностным свойствам низколегированных сталей для высокотемпературных применений. Данные включают в себя состав стали, термообработку, условия испытаний, кратковременную и длительную прочность сталей. Используя эти данные были обучены модели на основе методов машинного обучения для расчёта прочностных свойств по составу стали, параметрам термообработки и условиям испытаний. Для кратковременных прочностных свойств модель на основе градиентного бустинга имеет следующую среднюю ошибку и среднюю относительную ошибку на отложенных данных: предел текучести: 40.6 МПа и 8.8 %, предел прочности: 47.3 МПа и 8.2 %, максимальное относительное удлинение: 1.93 % и 10.5 %, ударная вязкость: 28.1 Дж/см2 и 23.4 %. Для предела длительной прочности модель на основе метода опорных векторов имеет точность 13.4 МПа и 6.8 %. Результаты моделей были интерпретированы с помощь метода SHAP. Показано, что они не противоречат экспериментальным наблюдениям. Предложены рекомендации по легированию.

Публикации

6. Коротаев П., Янилкин А. Steels classification by machine learning and Calphad methods Calphad, 82, 102587 (год публикации - 2023)
10.1016/j.calphad.2023.102587

Возможность практического использования результатов
-