Atomistische Modellierung und Validierung
Unsere Gruppe führt atomistische Simulationen des Materialverhaltens unter extremen Umweltbedingungen zusammen mit der experimentellen Validierung der Modellvorhersagen durch. Das Hauptanwendungsgebiet sind Funktions- und Strukturwerkstoffe für die Kernfusion, die hohen Temperaturen, der Bestrahlung mit schnellen, das Kristallgitter dauerhaft schädigenden, Neutronen und hohen Konzentrationen gasförmiger Atome wie Helium und Wasserstoffisotopen aus Transmutationsvorgängen widerstehen müssen. Derartige Werkstoffe werden in der Abteilung "Metallische Werkstoffe" entwickelt und charakterisiert.
Beryllium und intermetallische Berylliumlegierungen (wie z.B. BE12 Ti) werden als Neutronenmultiplikator-Materialien für zukünftige Kernfusionsreaktoren in Betracht gezogen. Dies Materialien sollen unvermeidliche Neutronenverluste durch Verdopplung ihrer Anzahl mittels (n,2n) -Reaktionen ausgeglichen. Die so zusätzliche gewonnen Neutronen sind in der Lage zusätzliches Tritium zu erzeugen, das zusammenhalten mit Deuterium als Brennstoff für die Fusionsreaktionen verwendet wird und selbsterhaltende Brennstoffkreisläufe ermöglicht.
Eine Methode zur industriellen Herstellung von Berylliden wurde von unserer Gruppe in Zusammenarbeit mit dem Ulba Metallurgical Plant, Kasachstan entwickelt. Für diese Entwicklung wurde die Arbeit der Gruppe zum Thema „Development of advanced solid neuron multiplier of innovative T-breeding blanket design“ mit dem 2. Preis des „European Soft Innovation Prize“ von der EU-Kommission in Verbindung mit der zweijährigen Konferenz „Symposium on Fusion Technology (SOFT) in 2020 ausgezeichnet.
Eine breite Auswahl anderen Materialien wird ebenfalls in Betracht gezogen:
- Metalle in dichtester Kugelpackung (z.B. Beryllium, Zirkonium, Yttrium)
- krz-Metalle (Eisen, nanostrukturierte ferritische Stähle, Vanadiumlegierungen und Wolfram)
- kfz -Metalle (austenitische Stähle am Beispiel von g-Fe)
Diese verwandten Materialien sind nicht nur Kandidaten für fortgeschrittene Kern- und Fusionsreaktoranwendungen, sondern haben auch ein hohes Potential als Strukturwerkstoffe für konzentrierte Solarkraftwerke, Düsentriebwerke, chemische Reaktoren oder für die Wasserstoffproduktion durch Thermolyse von Wasser. Ein wichtiges Forschungsthema ist die Wechselwirkung von Wasserstoff mit diesem Material.
Materialien
Beryllium und intermetallische Berylliumlegierungen (wie Be12Ti) werden als Neutronenmuliplikator-Materialien für zukünftige Kernfusionsreaktoren in Betracht gezogen. Diese Materialien sollen unvermeidliche Neutronenverluste durch Verdoppelung ihrer Anzahl mittels (n,2n)-Reaktionen ausgleichen. Die so zusätzlich gewonnenen Neutronen sind in der Lage zusätzliches Tritium zu erzeugen, das, zusammen mit Deuterium, als Brennstoff für die Fusionsreaktion verwendet wird und selbsterhaltende Brennstoffkreisläufe ermöglicht.
Eine breite Auswahl anderer Materialien wird ebenfalls in Betracht gezogen:
• Metalle in dichtester Kugelpackung (z.B. Beryllium, Zirkonium, Yttrium),
• krz-Metalle (Eisen, nanostrukturierte ferritische Stähle, Vanadiumlegierungen und Wolfram),
• kfz-Metalle (austenitische Stähle am Beispiel von -Fe),
• intermetallische Verbindungen (Beryllide, Fe17Y2).
Diese verwandten Materialien sind nicht nur Kandidaten für fortgeschrittene Kern- und Fusionsreaktoranwendungen, sondern haben auch ein hohes Potenzial als Strukturwerkstoffe für konzentrierte Solarkraftwerke, Düsentriebwerke, chemische Reaktoren oder für die Wasserstoffproduktion durch Thermolyse von Wasser. Ein wichtiges Forschungsthema ist die Wechselwirkung von Wasserstoff mit diesen Materialien.
Methoden und Forschung
Die Forschung der Gruppe Atomistic Modeling and (experimental) Validation (aMeV) konzentriert sich auf die Entwicklung von Modellen zur Voraussage makroskopischer Materialeigenschaften auf Grundlage von Prozessen auf atomarer Ebene. Diese Herausforderung verlangt Multiskalenansätze, weshalb wir zu diesem Zweck verschiedene Methoden anwenden und die entwickelten theoretischen Modelle durch gezielte Experimente sorgfältig validieren.
Simulationsmethoden
Die folgenden Modellierungsmethoden werden von unserer Gruppe auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen angewandt:
- Methoden der Dichtefunktionaltheorie (ab-initio),
- konventionelle und auf der Dichtefunktionaltheorie basierende Molekulardynamik,
- atomistische, gitterbasierte kinetische Monte Carlo Simulationen und Methoden der Ratengleichungen.
Wir verwenden Dichtefunktionaltheorie-Codes wie VASP, Fleur und Wien2k. Für Simulationen auf größeren zeitlichen und räumlichen Skalen werden die Molekulardynamik-Codes LAMMPS und PARCAS verwendet.
Wir verwenden überlicherweise Pymatgen und Atomate zur Automatisierung und Analyse der Big Data-artigen Resultate, die durch Hochdurchsatz-ab initio-Berechnungen erzeugt werden. Wir verbessern Methoden gegebenenfalls (z.B. die Climbing-String-, sowie Nudged-Elastic-Band- und Dimer-Methoden für die Suche nach Übergangszuständen wie im VTST-Paket implementiert) und reichen, falls angemessen, pull requests der Verbesserungen ein. Wir entwickeln Methoden zur Anwendung von maschinellem Lernen bei der Entwicklung interatomarer Interaktionspotentiale auf Grundlage der Ergebnisse von ab initio-Berechnungen.
Experimentalarbeit
Der experimentelle Teil unserer Gruppe arbeitet entlang drei Hauptrichtungen:
- Entwicklung und Charakterisierung von Beryllium und Be-Legierungen zur Anwendung in Mänteln zukünftiger Fusionsreaktoren;
- Validierungsexperimente zur Verifizierung der vorgeschlagenen Modelle.
- Untersuchung von Wasserstoffisotopenwechselwirkungen mit Metalloberflächen zur Validierung der Multiskalenmodelle des Desorptions-, Rückhalte- und Absorptionsverhaltens.
Ausstattung
Zugang zu Hochleistungsrechnern (HPC) intensive Computersimulationen:
- Marconi und Marconi-100 in Cineca, Italien duch EUROfusion-Zuschuss
- JFRS-1 am IFERC-CSC in Rokkasho, Japan durc ein bilaterales Simulationsprojekt mit Japan im Rahmen des "Broader Approach" Konzepts dür die Fusionsenergie,
- bwForCluster Justus in Ulm, Deutschland, durch Projekte , die von der baden-württembergische Regierung unterstützt werden,
- bwUniCluster 2.0 am SCC KIT
Zugang zu den Anlagen in Karlsruher Beryllium-Handling-Anlage und dem Labor für Fussionswerkstofffe (Heiße Zellen) am IAM-MMI sowie zu den FIB-,Raster-und Transmissionselektronenmikroskop am IAM-AWP
Serviceleistungen
Projekte
Projekte
Wir führen Aufganben im EUROfusion-Arbeitspaket "Breeding-Blanket" durch und arbeiten im Ramhen des EUROfusion-Forschungsstipendiums "Künstliche Intelligenz" zur Unterstützung von Wasserstofftrennmembranenfür DEMO-Takamak-Abgase sowie mehreren Stipendien für Computersimulationen
- Wasserstoffdiffusion in Titan-Berylliden" gemeinsames Projekt mit QST,
- Heliumverhalten in Berylliden" im Ramen des EUROfusion HPC Projekts (Marconi, CINECA, Italien)
- "Einfluss von Verunreinigungen auf die Schwellungen von Beryllium" gefördert durch das Land Baden-Württemberg über bwHPC und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) über die Förderung Nr: INST40/575-1 FUGG (JUSTUS 2 Cluster, Ulm, Deutschland)
Kooperationen
Kooperationen
Unsere Gruppe profitiert von der engen Zusammenarbeit mit dem KIT-Fusionsmateriallabor, dem IAM-WBM und der Karlsruher Beryllium-Handling-Einrichtung (KBHF) sowie mit anderen Forschungsgruppen weltweit, wie:
- Entwicklung einer Technologie zur Herstellung fester Beryllidblöcke im industriellen Maßstab in Zusammenarbeit mit dem Ulba-Metallurgiewerk, Ust-Kamenogorsk, Kasachstan.
- Mikrostrukturelle und mikromechanische Untersuchungen von neutronenbestrahltem Beryllium in Zusammenarbeit mit Dr. V. Kuksenko vom Culham Centre for Fusion Energy, Großbritannien.
- Simulation der Wirkung von Helium und Strahlungsschäden auf Beryllium, Prof. Izabela Szlufarska, Universität Wisconsin - Madison, USA.
- Entwicklung von empirischen interatomaren Wechselwirkungspotentialen für Fe-Y in Zusammenarbeit mit Prof. G. J. Ackland, Universität Edinburgh und A. Ian Duff, Imperial College London, UK
- Entwicklung empirischer interatomarer Interaktionspotentiale für das Fe-Y-O-System im Rahmen des HRJRG-411 in Zusammenarbeit mit Prof. K. Albe, TU-Darmstadt, Deutschland.
- Entwicklung von analytischen Bindungsordnungspotentialen (ABOP) für das Be-He-System auf der Basis von ab initio-Daten in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. K. Nordlund, Universität Helsinki, Finnland.
- Langfristige Zusammenarbeit bei der Modellierung des strukturellen und funktionellen Materialverhaltens unter Fusionsbestrahlungsbedingungen mit dem "Kurchatov-Institut" (früher Institut für Atomenergie), Moskau, Russland (Dr. of Science, V. A. Borodin)
- Einfluss der Helium-Fehlstellencluster-Diffusion auf das Wachstum von Heliumblasen unter Neutronenbestrahlung von bcc-Eisen (DAAD-Forschungsstipendium 2004)
- Bildung von selbstinterstitiellen Clustern und ihre Diffusion in bestrahltem Beryllium und Zirkonium (auch mit der National Research Nuclear University "MEPhI", Moskau, Dr. M. G. Ganchenkova)
- Untersuchung der atomaren Mechanismen der quasispröden Rissausbreitung, Versprödung und plastischen Verformung von bcc-Eisen
- Groß angelegte erste Grundsatzstudien über die Mechanismen des Wachstums von Oxiddispersionspartikeln in ferritischen und ferritisch-martensitischen Stählen mit dem Institut für Festkörperphysik (ISSP), Universität von Lettland, Riga, Lettland (Prof. E. A. Kotomin, Dr. Yu. Zhukovskij);
Publikationen
Publikationen
Hwang, T.; Kim, J.-H.; Sugimoto, Y.; Gaisin, R.; Rolli, R.; Vladimirov, P.; Akatsu, Y.; Yokohama, S.; Nakano, S.; Nakamichi, M.
2024. Nuclear Materials and Energy, 40, Art.-Nr.: 101686. doi:10.1016/j.nme.2024.101686
Vazquez Cortes, A.; Day, C.; Stihl, C.; Vladimirov, P. V.
2024. Nuclear Materials and Energy, 38, Art.-Nr.: 101600. doi:10.1016/j.nme.2024.101600
Emelyanova, O. V.; Gentils, A.; Borodin, V. A.; Dzhumaev, P. S.; Vladimirov, P. V.; Lindau, R.; Möslang, A.
2023. Nuclear Materials and Energy, 35, Art.-Nr.: 101456. doi:10.1016/j.nme.2023.101456
Reimann, J.; Cilingir, E.; Gaisin, R.; Goraieb, A.; Nakamichi, M.; Vladimirov, P.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany. Ed. P. Vladimirov; R. Gaisin, 284–291, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Chakin, V.; Rolli, R.; Zmitko, M.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany. Ed.: V. Pavel; R. Gaisin, 267–283, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Duerrschnabel, M.; Gaisin, R.; Vladimirov, P.; Rieth, M.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany(KIT Scientific Reports ; 7764). Ed.: V. Pavel; R. Gaisin, 238–248, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Bachurin, D. V.; Stihl, C.; Vladimirov, P. V.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany(KIT Scientific Reports ; 7764). Ed.: V. Pavel; G. Ramil, 227–237, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Vladimirov, P. V.; Bachurin, D. V.; Stihl, C.; Zimber, N.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany, 206–226, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Klimenkov, M.; Jäntsch, U.; Chakin, V.; Zimber, N.; Vladimirov, P.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany, 194–205, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Stihl, C.; Vladimirov, P.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany, 186–193, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Gaisin, R.; Rolli, R.; Chakin, V.; Vladimirov, P.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany, 141–164, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Vladimirov, P. V.; Dorn, C. K.
2023. Proceedings of the 15th International Workshop on Beryllium Technology (BeWS-15) September, 14-15, 2022, Karlsruhe, Germany, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Gaisin, R.; Frants, Y.; Kolmakov, M.; Zorin, B.; Kylyshkanov, M.; Podoinikov, M.; Udartsev, S.; Vechkutov, A.; Chakin, V.; Vladimirov, P.
2023. Nuclear Materials and Energy, 35, Art.-Nr.: 101444. doi:10.1016/j.nme.2023.101444
Gaisin, R.; Pereslavtsev, P.; Baumgaertner, S.; Seemann, K.; Gaisina, E.; Chakin, V.; Udartsev, S.; Vladimirov, P.; Gorr, B.
2023. Journal of Materials Research and Technology, 24, 3399–3412. doi:10.1016/j.jmrt.2023.03.211
Zimber, N.; Lammer, J.; Vladimirov, P.; Kothleitner, G.; Keast, V. J.; Dürrschnabel, M.; Klimenkov, M.
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Bachurin, D. V.; Stihl, C.; Vladimirov, P.
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Shepelev, I. A.; Bachurin, D. V.; Korznikova, E. A.; Dmitriev, S. V.
2022. Journal of Nuclear Materials, 568, Art.-Nr.: 153841. doi:10.1016/j.jnucmat.2022.153841
Galiakhmetova, L. K.; Bachurin, D. V.; Korznikova, E. A.; Shepelev, I. A.; Dmitriev, S. V.
2022. Laser Physics, Photonic Technologies, and Molecular Modeling. Ed.: V. L. Derbov, Art.-Nr.: 121930F, SPIE. doi:10.1117/12.2626862
Gaisin, R.; Kuksenko, V.; Duerrschnabel, M.; Chakin, V.; Goraieb, A.; Vladimirov, P.
2022. Nuclear Materials and Energy, 30, Art. Nr.: 101128. doi:10.1016/j.nme.2022.101128
Frants, Y.; Borsuk, A.; Vechkutov, A.; Zenkov, K.; Zorin, B.; Kylyshkanov, M.; Podoinikov, M.; Udartsev, S.; Vladimirov, P.; Gaisin, R.
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Chakin, V.; Fedorov, A.; Rolli, R.; Gaisin, R.; Klimenkov, M.; Reimann, J.; Nakamichi, M.
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Reimann, J.; Fretz, B.; Gaisin, R.; Goraieb, A.; Kim, J.-H.; Nakano, S.; Nakamichi, M.; Vladimirov, P.
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Shepelev, I. A.; Bachurin, D. V.; Korznikova, E. A.; Bayazitov, A. M.; Dmitriev, S. V.
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Chakin, V.; Rolli, R.; Klimenkov, M.; Zmitko, M.
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Emelyanova, O.; Gentils, A.; Borodin, V. A.; Ganchenkova, M. G.; Vladimirov, P. V.; Dzhumaev, P. S.; Golovchanskiy, I. A.; Lindau, R.; Möslang, A.
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Rysaeva, L. K.; Bachurin, D. V.; Murzaev, R. T.; Abdullina, D. U.; Korznikova, E. A.; Mulyukov, R. R.; Dmitriev, S. V.
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Vladimirov, P. V.; Chakin, V. P.; Dürrschnabel, M.; Gaisin, R.; Goraieb, A.; Gonzalez, F. A. H.; Klimenkov, M.; Rieth, M.; Rolli, R.; Zimber, N.; Udartsev, S.; Kolmakov, M.; Vechkutov, A.; Frants, E.
2021. Journal of nuclear materials, 543, Art. Nr.: 152593. doi:10.1016/j.jnucmat.2020.152593
Stihl, C.; Vladimirov, P. V.; Möslang, A.
2021. Journal of nuclear materials, 543, Art. Nr.: 152595. doi:10.1016/j.jnucmat.2020.152595
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2020. Nuclear materials and energy, 24, 100771. doi:10.1016/j.nme.2020.100771
Murzaev, R. T.; Bachurin, D. V.; Mukhametgalina, A. A.; Murzinova, M. A.; Nazarov, A. A.
2020. Physics letters / A, 384 (35), Art.-Nr.: 126906. doi:10.1016/j.physleta.2020.126906
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2020. The European physical journal / B, 93 (9), Art. Nr.: 167. doi:10.1140/epjb/e2020-10160-0
Chakin, V.; Rolli, R.; Gaisin, R.; Hoeppener-Kramar, U.; Nakamichi, M.; Zmitko, M.
2020. Fusion engineering and design, 161, Art.-Nr.: 111938. doi:10.1016/j.fusengdes.2020.111938
Gaisin, R.; Chakin, V.; Vladimirov, P.; Hernández, F. A.; Udartsev, S.; Vechkutov, A.; Kolmakov, M.
2020. Fusion engineering and design, 161, Art.-Nr.: 111862. doi:10.1016/j.fusengdes.2020.111862
Zimber, N.; Vladimirov, P.; Klimenkov, M.; Kuksenko, V.
2020. Journal of nuclear materials, 540, Art. Nr.: 152374. doi:10.1016/j.jnucmat.2020.152374
Klimenkov, M.; Vladimirov, P.; Jäntsch, U.; Kuksenko, V.; Rolli, R.; Möslang, A.; Zimber, N.
2020. Scientific reports, 10 (1), Article: 8042. doi:10.1038/s41598-020-64654-5
Zimber, N.; Vladimirov, P.; Klimenkov, M.; Jäntsch, U.; Vila, R.; Chakin, V.; Mota, F.
2020. Journal of nuclear materials, 535, Article No.152160. doi:10.1016/j.jnucmat.2020.152160
Krylova, K. A.; Korznikova, E. A.; Semenov, A. S.; Bachurin, D. V.; Dmitriev, S. V.
2020. The European physical journal / B, 93 (2), Article No.23. doi:10.1140/epjb/e2020-100565-0
Gaisin, R.; Chakin, V.; Rolli, R.; Hoffmann, J.; Leiste, H.; Bergfeldt, T.; Jäntsch, U.; Klimenkov, M.; Lorenz, J.; Goraieb, A.; Vladimirov, P.; Möslang, A.
2020. Journal of alloys and compounds, 818, Article No.152919. doi:10.1016/j.jallcom.2019.152919
Borodin, V. A.; Vladimirov, P. V.
2019. Journal of physics / Condensed matter, 31 (18), Art. Nr.: 185401. doi:10.1088/1361-648X/ab0255
Shepelev, I. A.; Korznikova, E. A.; Bachurin, D. V.; Semenov, A. S.; Chetverikov, A. P.; Dmitriev, S. V.
2019. Physics letters / A, 384 (1), Article No.126032. doi:10.1016/j.physleta.2019.126032
Klimenkov, M.; Vladimirov, P.; Hoffmann, J.; Zimber, N.; Möslang, A.; Kuksenko, V.
2019. Micron, 127, Art. Nr.: 102754. doi:10.1016/j.micron.2019.102754
Hesch, K.; Aktaa, J.; Gaganidze, E.; Rieth, M.; Vladimirov, P.
2019. 6th IAEA DEMO Programme Workshop (DPWS 2019), Moskau, Russland, 1.–4. Oktober 2019
Klimenkov, ..; Hoffmann, ..; Vladimirov, P.; Chakin, V.; Möslang, A.
2018. 19th International Microscopy Congress (IMC 2018), Sydney, Australien, 9.–14. September 2018
Rogozhkin, S. V.; Nikitin, A. A.; Khomich, A. A.; Lukyanchuk, A. A.; Raznitsyn, O. A.; Shutov, A. S.; Fedin, P. A.; Kulevoy, T. V.; Vasiliev, A. L.; Presnyakov, M. Y.; Möslang, A.; Lindau, R.; Vladimirov, P.
2019. Nuclear fusion, 59 (8), Article: 086018. doi:10.1088/1741-4326/ab1e18
Bachurina, O. V.; Murzaev, R. T.; Bachurin, D. V.
2019. Journal of micromechanics and molecular physics, 3 (4), 1950001. doi:10.1142/S2424913019500012
Bachurin, D. V.; Murzaev, R. T.; Nazarov, A. A.
2019. International journal of solids and structures, 156-157, 1–13. doi:10.1016/j.ijsolstr.2018.06.007
Mastrikov, Y. A.; Sokolov, M. N.; Koch, S.; Zhukovskii, Y. F.; Gopejenko, A.; Vladimirov, P. V.; Borodin, V. A.; Kotomin, E. A.; Möslang, A.
2018. Nuclear instruments & methods in physics research / B, 435, 70–73. doi:10.1016/j.nimb.2018.01.022
Knitter, R.; Vladimirov, P.
2018, November 22. 26th European Fusion Programme Workshop (EFPW 2018), Bad Dürkheim, Deutschland, 20.–23. November 2018
Danilenko, V. N.; Bachurin, D. V.; Nazarov, A. A.
2018. Reviews on advanced materials science, 55 (1-2), 69–77
Bachurin, D. V.
2018. International journal of fracture, 214 (1), 69–78. doi:10.1007/s10704-018-0319-2
Chakin, V.; Rolli, R.; Gaisin, R.; Kurinskiy, P.; Kim, J.-H.; Nakamichi, M.
2018. Fusion engineering and design, 137, 165–171. doi:10.1016/j.fusengdes.2018.09.005
Gopejenko, A.; Mastrikov, Y. A.; Zhukovskii, Y. F.; Kotomin, E. A.; Vladimirov, P.; Möslang, A.
2018. Nuclear instruments & methods in physics research / B, 433, 106–110. doi:10.1016/j.nimb.2018.07.033
Bachurin, D. V.
2018. Materials science and engineering / A, 734, 255–259. doi:10.1016/j.msea.2018.07.095
Bachurin, D. V.; Vladimirov, P. V.
2018. Intermetallics, 100, 163–170. doi:10.1016/j.intermet.2018.06.009
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