@misc{10481/112839,
year = {2026},
month = {4},
url = {https://hdl.handle.net/10481/112839},
abstract = {Nuclear fusion stands as one of the most promising energy technologies for the future,
offering the potential for safe, clean and virtually limitless power. However, several scientific
and engineering challenges remain. Among them, understanding and mitigating
irradiation damage to structural materials is key if fusion reactors are ever to become a
reality. To do this, experimental irradiation facilities such as IFMIF–DONES will play
a central role, but their impact can be greatly amplified by accurate atomistic simulations
that help interpret results and guide material design. Improving our theoretical
and computational models of irradiation damage would therefore strengthen predictive
capabilities and complement large-scale experiments.
However, atomistic simulations come with their own set of challenges. Beyond computational
limitations, the absence of a unified multi-scale framework requires the use
of different models depending on the time and length scales involved, with most of
them relying on input from others. In this context, Density Functional Theory (DFT)
and Molecular Dynamics (MD) stand as the most commonly used theories for atomistic
studies. Additionally, recent advances have allowed for the training of Machine Learning
Interatomic Potentials (MLIPs), which can result in accuracies closer to those of DFT
while maintaining the lower computational requirements of MD.
Among the materials of interest for the construction of fusion reactors is found EUROFER97,
a reduced activation ferritic/martensitic steel. Steels, contrary to what could
be expected due to their great importance, still contain key challenges for material science
and atomistic simulations. In particular, the location of carbon within the iron
lattice remains largely unknown, which makes simulating the consequences of irradiation
damage a difficult task.
In this thesis, we propose a multi-scale approach to study carbon defects and carbide
precipitates in ferrite. We first study the properties of ferrite, carbon defects in ferrite
and the ferrous carbide cementite (Fe3C) using both DFT and MD, allowing us to validate
a classical interatomic potential against DFT results. Following this, ferrite and
cementite surfaces, as well as the interface formed between them at the Bagaryatskii Orientation
Relationship, are studied. Due to the large sizes required to simulate interfaces,
we develop a methodology that combines preliminary MD simulations with DFT-based
analysis. This different approach finds that, against what had been previously believed,
carbon atoms have a destabilising effect at the interface between ferrite and cementite,
decreasing its stability against brittle fractures. Finally, we validate a trained MLIP for
carbon-rich structures, obtaining excellent agreement with DFT. This potential is then
used to simulate irradiation cascades.},
abstract = {La fusión nuclear se perfila como una de las tecnologías energéticas más prometedoras de
cara al futuro, al ofrecer una fuente de energía segura, limpia y prácticamente inagotable.
Sin embargo, todavía existen importantes retos científicos y técnicos. Uno de los más
relevantes es comprender y mitigar el daño por irradiación en los materiales estructurales,
un requisito fundamental para que los reactores de fusión lleguen a hacerse realidad. En
este contexto, instalaciones experimentales como IFMIF–DONES jugarán un papel clave,
aunque su impacto puede multiplicarse si se acompaña de simulaciones atomísticas que
ayuden a interpretar los resultados y a orientar el diseño de nuevos materiales. Mejorar
los modelos teóricos y computacionales del daño por irradiación permitiría así reforzar
la capacidad predictiva y reducir la necesidad de ensayos experimentales a gran escala.
Sin embargo, las simulaciones atomísticas también presentan sus propias limitaciones.
Más allá del coste computacional, la ausencia de un marco teórico multiescala unificado
obliga a combinar distintos métodos en función de las escalas de tiempo y tamaño que se
quieran estudiar, con modelos que suelen depender de la información que proporcionan
otros a menor escala. En este sentido, la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) y la
Dinámica Molecular (MD) son actualmente los enfoques más utilizados en el estudio de
materiales a escala atómica. A ello se suman los recientes avances en el entrenamiento
de Machine Learning Interatomic Potentials (MLIPs), que permiten alcanzar precisiones
cercanas a las de DFT, pero con un coste computacional mucho menor, similar al de
MD.
Uno de los materiales candidatos para su uso en reactores de fusión es EUROFER97,
un acero ferrítico/martensítico de activación reducida. A pesar de su amplia utilización,
los aceros siguen planteando importantes incógnitas desde el punto de vista de la simulación
atomística. En particular, la localización precisa del carbono dentro de la red
de hierro continúa siendo una cuestión abierta, lo que complica el estudio del daño por
irradiación.
En esta tesis se propone un enfoque multiescala para analizar defectos de carbono
y la formación de carburos en ferrita. En primer lugar, se estudian las propiedades de
la ferrita, los defectos de carbono y el carburo cementita (Fe3C), combinando métodos
DFT y MD para validar un potencial interatómico clásico frente a resultados ab initio. A
continuación, se analizan las superficies de ferrita y cementita, así como la intercara que
se forma entre ambas bajo la orientación Bagaryatskii. Dado el gran tamaño requerido
para modelar estas intercaras, se desarrolla una metodología que combina simulaciones
preliminares mediante MD con cálculos de DFT. Se observa que, en contra de lo que se
presuponía en estudios previos, los átomos de carbono ejercen un efecto desestabilizador
sobre la intercara, reduciendo su resistencia frente a fracturas frágiles. Por último, se valida un MLIP entrenado para estructuras con alto contenido en carbono, obteniéndose
una excelente concordancia con DFT. Este potencial se utiliza posteriormente para
simular cascadas de irradiación.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {Gobierno de España},
organization = {IFMIF-DONES España},
organization = {Ciemat},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Ab initio study of C-related defects in α-Fe materials of interest for fusion},
author = {Canca López, Pablo},
}