Exposure of materials to radiation in nuclear test reactors and power plants can strongly modify the microstructure and long-term performance of structural parts. Although the primary damage event develops within pico- to nanosecond time scales, its consequences can govern defect evolution over experimentally relevant irradiation periods. Classical molecular dynamics (MD) can resolve collision cascades with atomistic detail, but its accessible time scale leads to dose rates that are far above experimental conditions. Object kinetic Monte Carlo can reach much longer time scales, but it usually represents irradiation damage through simplified defect insertion rules and therefore neglect important information on cascade morphology and cascade interaction with existing defects. In this work, we present a method that embeds complete MD cascade simulations directly into object kinetic Monte Carlo (OKMC), allowing irradiation to be followed at realistic dose rates while retaining the atomistic character of cascade overlap. The approach is applied to tungsten and iron, two key materials for nuclear environments. We show that explicit cascade treatment changes both the total defect populations and the resulting cluster size distributions. In tungsten, cascades enhance vacancy clustering at low temperature, whereas at elevated temperature they can also destroy and divide pre-existing voids. In iron, cascades produce a clear reduction in the size of C15 Laves-phase clusters and lead to clustering behavior that is not captured by conventional OKMC, even at room temperature. These results demonstrate that cascade overlap can introduce mechanisms that are absent from standard long time scale models, and that such mechanisms should be included as they control the microstructure evolution during irradiation.
原子力試験炉や発電所における材料の放射線への曝露は、構造部品の微細組織と長期性能を強く変化させ得る。一次損傷事象はピコ秒からナノ秒の時間スケールで発生するが、その結果は実験的に意味のある照射期間にわたって欠陥の進展を支配し得る。古典分子動力学(MD)は衝突カスケードを原子論的詳細さで分解できるが、その到達可能な時間スケールは実験条件をはるかに上回る線量率をもたらす。オブジェクト運動論モンテカルロははるかに長い時間スケールに到達できるが、通常は簡略化された欠陥挿入規則によって照射損傷を表現するため、カスケード形態や既存欠陥とのカスケード相互作用に関する重要な情報を無視する。本研究では、完全なMDカスケードシミュレーションをオブジェクト運動論モンテカルロ(OKMC)に直接埋め込む方法を提示し、カスケード重なりの原子論的特徴を保持しつつ、現実的な線量率で照射を追跡することを可能にする。この手法を、核環境における2つの重要材料であるタングステンと鉄に適用する。明示的なカスケード処理が、総欠陥個数と結果として得られるクラスターサイズ分布の両方を変えることを示す。タングステンでは、カスケードは低温で空孔クラスタリングを促進する一方、高温では既存のボイドを破壊し分割することもできる。鉄では、カスケードはC15ラーベス相クラスターのサイズを明確に減少させ、室温でも従来のOKMCでは捕捉されないクラスタリング挙動をもたらす。これらの結果は、カスケードの重なりが標準的な長時間スケールモデルには存在しないメカニズムを導入し得ること、そしてそのようなメカニズムが照射中の微細組織進展を制御するため、含まれるべきであることを示している。