На основе анализа современного состояния свободно распространяемых программных средств микроскопического атомистического, мезоскопического кинетического и макроскопического континуального моделирования радиационных эффектов в НПК ВИЭРТ сформирован комплекс программ многоуровневого компьютерного моделирования радиационно-стимулированных изменений структуры материалов и эволюции их поверхности под облучением.
Многоуровневое моделирование (Multi-Scale Modeling & Simulation, MSMS, см. Рис. 1) — это согласованное последовательное математическое моделирование неравновесных эволюционных процессов на различных структурных уровнях и пространственно-временных масштабах их протекания. Во множестве своих приложений оно последовательно выявляет связь между фундаментальными механизмами, сосредоточенными в происходящих на микроуровне элементарных процессах, и решением прикладных проблем относительно описания и предсказания поведения больших макроскопических систем.
Рисунок 1 – Диаграмма пространственно-временных масштабов многоуровневого моделирования и соответствующих методов и моделей
Программный комплекс (см. Рис. 2) состоит из пакетов молекулярно-динамического моделирования Sandia LAMMPS, кинетического Монте-Карло моделирования Sandia SPPARKS и моделирования методом конечных элементов FreeFEM++. Он интегрирован с оригинальными кодами НПК ВИЭРТ RaT 3.1 и MICKSER моделирования переноса излучения в веществе и расчетов первичного радиационного повреждения материалов, а также предусматривает интеграцию с пакетами первопринципного ab initio моделирования NWChem и CP2K.
Рисунок 2 – Схема созданного в НПК ВИЭРТ программного комплекса для многоуровневого моделирования радиационного воздействия на материалы
Созданный программный комплекс предполагается применить для согласованного по входным/выходным данным многоуровневого моделирования
радиационного повреждения перспективных материалов реакторов нового (IV) поколения под имитирующем их реакторное облучение облучением заряженными частицами на ускорителях ионов и электронов ННЦ ХФТИ;
коррозии и окисления материалов под облучением в агрессивных средах;
процессов ионной имплантации и ионно-плазменных методов модификации поверхности и синтеза новых функциональных материалов.
В 2016 г. программный комплекс и методика его использования были отработаны на актуальном практическом примере многоуровневого моделирования процессов плазмохимического синтеза графана — нового функционального наноматериала на основе графена.