Computational simulation of lattice defects in graphite

The High Luminosity LHC upgrade will increase the energy stored in LHC circulating beams by almost a factor of two: from 360 to 680 MJ. A consequent rethinking of the components with which the beam is in contact is of vital importance for the accelerator operation. A comprehensive and integrated R&D activity is devoted to the study and development of graphitic materials and electrically conductive coatings able to withstand the impact of high intensity particle beams. In fact a material able to fulfill all the requirements for the HiLumi upgrade does not exist. In particular novel collimator materials candidates were proposed. This thesis project stems from the necessity of some computational-aided modeling of radiation damage in carbon-based materials. Radiation damage in materials and macroscopic behaviour modeling in general is a complex task relying on a careful multi-scale approach. At this preliminary stage of the research a rather small scale simulation method is employed. A Frenkel Pair Accumulation method in a Molecular Dynamics simulation is performed in order to obtain a damaged structure and study its properties. Both perfect cells and grain boundaries were explored. The responses to tensile stresses are investigated. A novel methodology for the introduction of intercalated atoms (H and He) is proposed and tested.

Nei prossimi anni il potenziamento di LHC - denominato High Luminosity - aumenterà di quasi un fattore due l'energia contenuta nel fascio accelerato: da 360 a 680MJ. Di conseguenza, particolare attenzione va posta su tutti i componenti a contatto con il fascio in modo da consentire l'operatività stessa dell'acceleratore. Una attività di ricerca e sviluppo estesa ed integrata è preposta allo studio di materiali grafitici e rivestimenti conduttivi in grado di sopportare l'impatto di fasci di particelle ad alta intensità. Infatti un materiale in possesso di tutti i requisiti necessari per l'HiLumi upgrade non esiste. In particolare, nuovi materiali compositi sono stati proposti come candidati per i collimatori. Questo progetto di tesi nasce dalla necessità di una modellazione computazionale del danno da radiazione in materiali a base di carbonio. Il danneggiamento da radiazione nei materiali e in generale la modellazione del comportamento macroscopico di un materiale è un compito arduo e si basa su un approccio multi-scala. In questa fase preliminare della ricerca si è deciso di utilizzare una metodologia ad una scala piuttosto piccola. La metodologia dell'accumulazione di coppie di Frenkel in un contesto di Molecular Dynamics è stata utilizzata per ottenere una struttura danneggiata e studiarne le proprietà. Sono state studiate sia celle grafitiche perfette che celle contenenti bordi grano. La risposta a sforzi di tensione è stata simulata. Viene proposta e testata una nuova metodologia per l'introduzione di atomi intercalati (H e He).