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In einer vorab im Journal of Nuclear Materials veröffentlichten Studie wurden frisch hergestellter austenitischer Edelstahl mit gleichmäßig verteilten nanoskaligen NbC-Ausscheidungen (ARES-6) und herkömmlicher Edelstahl 316 unter Schwerionenbestrahlung untersucht. Dabei wurde das Quellverhalten nach der Bestrahlung analysiert, um die Vorteile von ARES-6 zu vergleichen.
Studie: Quellbeständigkeit von austenitischem Edelstahl mit gleichmäßig verteilten nanoskaligen NbC-Ausscheidungen unter Schwerionenbestrahlung. Bildnachweis: Parilov/Shutterstock.com
Austenitische Edelstähle (SS) werden häufig als vorgefertigte interne Bauteile in modernen Leichtwasserreaktoren eingesetzt, wo sie hohen Strahlungsflüssen ausgesetzt sind.
Die Veränderung der Morphologie austenitischer Edelstähle durch Neutroneneinfang beeinträchtigt physikalische Parameter wie Strahlungshärtung und thermische Zersetzung. Verformungszyklen, Porosität und Anregung sind Beispiele für strahlungsinduzierte Mikrostrukturentwicklungen, die häufig bei austenitischen Edelstählen auftreten.
Austenitischer Edelstahl ist zudem anfällig für strahlungsinduzierte Vakuumausdehnung, die zu potenziell tödlichen Schäden an Reaktorkernkomponenten führen kann. Innovationen in modernen Kernreaktoren mit längerer Lebensdauer und höherer Produktivität erfordern daher den Einsatz komplexer Baugruppen, die einer höheren Strahlung standhalten.
Seit den frühen 1970er Jahren wurden zahlreiche Methoden zur Entwicklung radioaktiver Materialien vorgeschlagen. Im Rahmen der Bemühungen um eine verbesserte Strahlungseffizienz wurde die Rolle der wichtigsten Aspekte der Vakuumausdehnung untersucht. Dennoch können niedrig austenitische Edelstähle aufgrund der Verformung durch Heliumtröpfchen, die eine hohe Anfälligkeit für Strahlungsversprödung aufweisen, unter korrosiven Bedingungen keinen ausreichenden Korrosionsschutz gewährleisten. Auch die Optimierung der Legierungszusammensetzung stößt bei der Verbesserung der Strahlungseffizienz an ihre Grenzen.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, verschiedene mikrostrukturelle Merkmale einzubauen, die als Abflusspunkte für Punktdefekte dienen können. Senken können zur Absorption strahlungsinduzierter intrinsischer Defekte beitragen und so die Bildung von Löchern und Versetzungskreisen verzögern, die durch die Ansammlung von Leerstellen und Lücken entstehen.
Zahlreiche Versetzungen, winzige Ausscheidungen und granulare Strukturen wurden als Absorber vorgeschlagen, die die Strahlungseffizienz verbessern könnten. Das Konzept der dynamischen Geschwindigkeitsberechnung und mehrere Beobachtungsstudien haben die Vorteile dieser mikrostrukturellen Merkmale bei der Unterdrückung der Hohlraumausbreitung und der Reduzierung der strahlungsinduzierten Komponententrennung aufgezeigt. Der Spalt schließt sich jedoch unter dem Einfluss von Strahlung allmählich und erfüllt seine Funktion als Drainagepunkt nicht vollständig.
Die Forscher stellten kürzlich austenitischen Edelstahl her, bei dem ein vergleichbarer Anteil an Nano-Niobcarbid-Ausscheidungen gleichmäßig in der Matrix verteilt war. Hierfür verwendeten sie ein industrielles Stahlherstellungsverfahren, das später ARES-6 genannt wurde.
Es wird erwartet, dass die meisten Ausscheidungen ausreichend Stellen zur Aufnahme von strahlungsbedingten Defekten bieten und dadurch die Strahlungseffizienz von ARES-6-Legierungen erhöhen. Das Vorhandensein mikroskopischer Niobcarbid-Ausscheidungen führt jedoch nicht zu den aufgrund des Gerüsts erwarteten Strahlungsbeständigkeitseigenschaften.
Ziel dieser Studie war es daher, den positiven Effekt kleiner Niobcarbide auf den Expansionswiderstand zu untersuchen. Außerdem wurden Dosisleistungseffekte im Zusammenhang mit der Lebensdauer nanoskaliger Krankheitserreger während des Schwerionenbeschusses analysiert.
Um die Zunahme des Spaltmaßes zu untersuchen, wurde eine neu hergestellte ARES-6-Legierung mit gleichmäßig verteilten Niob-Nanocarbiden als Industriestahl angeregt und mit 5 MeV Nickelionen beschossen. Die folgenden Schlussfolgerungen basieren auf Quellungsmessungen, mikrostrukturellen Untersuchungen mittels Nanometer-Elektronenmikroskopie und Fallfestigkeitsberechnungen.
Unter den mikrostrukturellen Eigenschaften von ARES-6P ist die hohe Konzentration an Nanoniobcarbid-Ausscheidungen der wichtigste Grund für die erhöhte Elastizität während der Quellung, obwohl auch die hohe Nickelkonzentration eine Rolle spielt. Aufgrund der hohen Frequenz der Verschiebungen zeigte ARES-6HR eine mit ARES-6SA vergleichbare Ausdehnung, was darauf hindeutet, dass die Verschiebung in ARES-6HR allein trotz der erhöhten Festigkeit der Tankstruktur keine effektive Entwässerung ermöglicht.
Nach dem Beschuss mit schweren Ionen wird die quasikristalline Nanostruktur der Niobcarbid-Ausscheidungen zerstört. Daher zersetzen sich bei Verwendung der in dieser Arbeit eingesetzten Schwerionenbeschussanlage die meisten der zuvor in nicht bestrahlten Proben vorhandenen Krankheitserreger allmählich in der Matrix.
Obwohl die Entwässerungskapazität von ARES-6P voraussichtlich dreimal so hoch ist wie die von Edelstahlblech 316, beträgt die gemessene Zunahme der Ausdehnung etwa das Siebenfache.
Die Auflösung von Niob-Nanocarbid-Ausfällungen unter Lichteinwirkung erklärt die große Diskrepanz zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Quellbeständigkeit von ARES-6P. Es wird jedoch erwartet, dass Niob-Nanocarbid-Kristallite bei niedrigeren Dosisleistungen beständiger sind und die Ausdehnungselastizität von ARES-6P unter normalen Kernkraftwerksbedingungen zukünftig deutlich verbessert wird.
Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Chon, K., Eom, HJ, Jang, K., & Al-Musa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Chon, K., Eom, HJ, Jang, K., & Al-Musa, N. (2022).Quellbeständigkeit von austenitischem Edelstahl mit gleichmäßig verteilten nanoskaligen NbC-Ausscheidungen unter Bestrahlung mit schweren Ionen. Journal of Nuclear Materials. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311522001714?via%3Dihub.
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Shahir absolvierte die Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik des Islamabad Institute of Space Technology. Er forschte umfassend in den Bereichen Luft- und Raumfahrtinstrumente und -sensoren, numerische Dynamik, Luft- und Raumfahrtstrukturen und -materialien, Optimierungstechniken, Robotik und saubere Energie. Im vergangenen Jahr arbeitete er als freiberuflicher Berater im Bereich Luft- und Raumfahrttechnik. Technisches Schreiben war schon immer Shahirs Stärke. Ob er nun Preise bei internationalen oder lokalen Schreibwettbewerben gewinnt – er glänzt. Shahir liebt Autos. Von Formel-1-Rennen und Automobilnachrichten bis hin zum Kartrennen – sein Leben dreht sich um Autos. Er ist ein begeisterter Motorsportler und versucht stets, Zeit dafür zu finden. Squash, Fußball, Cricket, Tennis und Autorennen gehören zu seinen Hobbys, denen er gerne nachgeht.
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