Radiation Damage in High Entropy Alloys

The development of future nuclear energy production concepts such as fusion and generation-IV fission reactors requires research in their respective component materials. Heavy radiation is commonplace in the proposed concepts, calling for durable, radiation tolerant materials that ensure long enough operational times for efficient energy production. The relatively new high entropy alloy materials, in which metallic alloys are built with several prevalent base elements, instead of just one base metal, have gained increased interest during recent years for their promising properties regarding various possible applications. Radiation tolerance is one promising property that high entropy alloys exhibit, meaning that they also have potential for use in nuclear reactors. In this work we give a general introduction to radiation damage in nuclear reactors, the basic concept of high entropy alloys, computational means to study radiation damage in them, as well as research results from computational radiation damage studies of high entropy alloy like materials called equiatomic multicomponent alloys. The studies investigate radiation effects in various nickel-based equiatomic alloys, by classical molecular dynamic simulations. The main phenomena of interest are defect production, temperature effects and nanocrystalline structural stability of the alloys during irradiation in the form of massively overlapping cascade simulations. In the studies it was found that the alloys exhibit a reduced defect accumulation with increased compositional complexity, that is to some extent upheld in a broad temperature range (138-800 K), and that the nanocrystalline structural stability is higher in the alloys than in pure nickel. The dislocation mobilities have been thought of as connected to the defect production. Here it is shown that dislocation mobility is reduced in the equiatomic alloys, similarly as in defect production, with an increase in compositional complexity. Additionally, the radiation damage production is validated by comparison with experiment, using a novel simulation method for Rutherford backscattering spectrometry in channeling conditions. The general conclusion of this work is that the high entropy alloy concept is promising in terms of the potential it shows for various future applications, such as nuclear reactors. Further studies are required, encouraged, and supported by the results of this work.En ökande efterfrågan på energi samt det världsomfattande hotet av klimatförändringen kräver en övergång till kolneutrala energikällor. Kärnkraft är en kolneutral form av energiproduktion, som har erfarit lovande utveckling både inom fissions- och fusionskraft under den senaste tiden. I fission, klyvs en atomkärna till två lättare kärnor, medan i fusion sammanfogas atomkärnor till en tyngre kärna. Fissionskraft är den formen av kärnkraft som används för energiproduktion i dagens läge, medan fusionskraft är ännu under utveckling. I båda processerna frigörs energi samt högenergetiska neutroner, vilka bromsas ner av omgivningen och producerar utvinnbar värme. Neutronerna orsakar också skada i de omgivande strukturella komponenterna, vilket kräver utveckling av material som kan motstå denna negativa effekt av neutronstrålningen. Strålningen orsakar främst defekter i materialen på atomnivå, i form av till exempel punktdefekter och dislokationer. På lång sikt påverkar denna till ögat osynliga skada materialen även på makroskopisk nivå, vilket leder till att komponenter måste bytas och energiproduktionen störs. I denna avhandling presenteras studier i strålningsskador i en ny grupp av metallegeringar vid namnet högentropilegeringar. Vanliga metallegeringar består till största delen av en baskomponent till vilket tilläggs en eller flera legeringsämnen. Ett exempel är stål, som har järn som baskomponent och kol som legeringsämne. I högentropilegeringar däremot, finns det inte en baskomponent utan flera. Som exempel en av de första högentropilegeringarna FeCrMnNiCo (en legering av järn, krom, mangan, nickel och kobolt), var varje element representeras i lika koncentrationer. Dessa högentropilegeringar har visat flera lovande egenskaper i olika applikationer, varav motstånd mot strålningsskador är en. Detta har ökat intresset av att utveckla högentropilegeringar för bruk inom kärnkraft. Studierna i denna avhandling behandlar molekyldynamiska simulationer av strålningsskador i ett antal olika metallegeringar tillhörandes högentropilegeringsfamiljen. De mest intressanta fenomenen som forskats i är defektproduktionen, effekten av temperatur samt stabiliteten av högentropilegeringar i nanokristallin struktur under fortsatt bestrålning av materialen