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In uno studio preliminare pubblicato sul Journal of Nuclear Materials, sono stati esaminati, sotto irradiazione di ioni pesanti, un acciaio inossidabile austenitico di nuova fabbricazione con precipitati di NbC di dimensioni nanometriche distribuiti uniformemente (ARES-6) e un acciaio inossidabile 316 convenzionale. Il comportamento post-rigonfiamento è stato analizzato per confrontare i vantaggi dell'ARES-6.
Studio: Resistenza al rigonfiamento dell'acciaio inossidabile austenitico con precipitati di NbC su scala nanometrica distribuiti uniformemente sotto irradiazione di ioni pesanti. Crediti immagine: Parilov/Shutterstock.com
Gli acciai inossidabili austenitici (SS) sono comunemente utilizzati come componenti interni fabbricati nei moderni reattori ad acqua leggera, dove sono esposti ad elevati flussi di radiazioni.
La modifica della morfologia degli acciai inossidabili austenitici in seguito alla cattura di neutroni influisce negativamente su parametri fisici quali l'indurimento da radiazioni e la decomposizione termica. Cicli di deformazione, porosità ed eccitazione sono esempi di evoluzione della microstruttura indotta da radiazioni, comunemente riscontrabili negli acciai inossidabili austenitici.
Inoltre, l'acciaio inossidabile austenitico è soggetto a espansione sottovuoto indotta dalle radiazioni, che può portare alla distruzione potenzialmente letale dei componenti del nocciolo del reattore. Pertanto, le innovazioni nei moderni reattori nucleari, caratterizzati da una maggiore durata e produttività, richiedono l'utilizzo di assemblaggi complessi in grado di resistere a livelli di radiazione più elevati.
Dagli inizi degli anni '70, sono stati proposti molti metodi per lo sviluppo di materiali radioattivi. Nell'ambito degli sforzi per migliorare l'efficienza di irradiazione, è stato studiato il ruolo dei principali aspetti dell'elasticità di espansione del vuoto. Tuttavia, poiché gli acciai inossidabili austenitici ad alto contenuto di nichel sono molto suscettibili alla fragilità da radiazioni dovuta alla deformazione delle goccioline di elio, gli acciai inossidabili a basso contenuto di austenite non possono garantire un'adeguata protezione dalla corrosione in condizioni corrosive. Esistono anche alcune limitazioni al miglioramento dell'efficienza di irradiazione mediante la regolazione della configurazione della lega.
Un altro approccio consiste nell'includere varie caratteristiche microstrutturali che possono fungere da punti di drenaggio per i cedimenti puntuali. I punti di assorbimento possono contribuire all'assorbimento dei difetti intrinseci indotti dalle radiazioni, ritardando la formazione di fori e cerchi di spostamento creati dal raggruppamento di vacanze e lacune.
Numerose dislocazioni, minuscoli precipitati e strutture granulari sono stati proposti come assorbitori in grado di migliorare l'efficienza di irradiazione. La progettazione concettuale della velocità dinamica e diversi studi osservazionali hanno rivelato i benefici di queste caratteristiche microstrutturali nel sopprimere l'espansione dei vuoti e nel ridurre la separazione dei componenti indotta dalle radiazioni. Tuttavia, la fessura si richiude gradualmente sotto l'influenza delle radiazioni e non svolge completamente la funzione di punto di drenaggio.
I ricercatori hanno recentemente prodotto acciaio inossidabile austenitico con una proporzione comparabile di precipitati di carburo di niobio nanometrico uniformemente dispersi nella matrice, utilizzando un processo siderurgico industriale che è stato successivamente denominato ARES-6.
Si prevede che la maggior parte dei precipitati fornisca sufficienti siti di assorbimento per i difetti intrinseci da radiazione, aumentando così l'efficienza di resistenza alle radiazioni delle leghe ARES-6. Tuttavia, la presenza di precipitati microscopici di carburo di niobio non fornisce le proprietà di resistenza alle radiazioni previste in base alla struttura.
Pertanto, lo scopo di questo studio era quello di testare l'effetto positivo dei piccoli carburi di niobio sulla resistenza all'espansione. Sono stati inoltre studiati gli effetti del tasso di dose relativi alla longevità dei patogeni su scala nanometrica durante il bombardamento con ioni pesanti.
Per studiare l'aumento del gap, una lega ARES-6 di nuova produzione con nanocarburi di niobio uniformemente dispersi è stata utilizzata per eccitare l'acciaio industriale e bombardarlo con ioni di nichel da 5 MeV. Le seguenti conclusioni si basano su misurazioni di rigonfiamento, studi di microstruttura tramite microscopia elettronica a scansione nanometrica e calcoli di resistenza alla caduta.
Tra le proprietà microstrutturali di ARES-6P, l'elevata concentrazione di precipitati di carburo di niobio nanometrico è la ragione più importante dell'aumento di elasticità durante il rigonfiamento, sebbene anche l'elevata concentrazione di nichel giochi un ruolo. Data l'elevata frequenza degli spostamenti, ARES-6HR ha mostrato un'espansione paragonabile a quella di ARES-6SA, suggerendo che, nonostante la maggiore resistenza della struttura del serbatoio, il solo spostamento in ARES-6HR non può fornire un sito di drenaggio efficace.
In seguito al bombardamento con ioni pesanti, la natura quasi cristallina su scala nanometrica dei precipitati di carburo di niobio viene distrutta. Di conseguenza, utilizzando l'impianto di bombardamento con ioni pesanti impiegato in questo lavoro, la maggior parte dei patogeni preesistenti nei campioni non irradiati si disperde gradualmente nella matrice.
Sebbene la capacità di drenaggio dell'ARES-6P sia prevista essere tre volte superiore a quella della piastra in acciaio inossidabile 316, l'aumento di espansione misurato è di circa sette volte.
La dissoluzione dei precipitati di nanocarburo di niobio in seguito all'esposizione alla luce spiega l'ampia discrepanza tra la resistenza al rigonfiamento prevista e quella effettiva dell'ARES-6P. Tuttavia, si prevede che i cristalliti di nanocarburo di niobio siano più resistenti a bassi tassi di dose e che l'elasticità di espansione dell'ARES-6P migliorerà notevolmente in futuro nelle normali condizioni di una centrale nucleare.
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).Resistenza al rigonfiamento dell'acciaio inossidabile austenitico con precipitati di NbC di dimensioni nanometriche distribuiti uniformemente sotto irradiazione con ioni pesanti. Journal of Nuclear Materials. Disponibile all'indirizzo: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311522001714?via%3Dihub.
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Sudore caldo, Shahr. (22 marzo 2022). È stata analizzata la resistenza al rigonfiamento di una nuova lega per reattori nanomodificata. AZonano. Consultato l'11 settembre 2022 da https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38861.
Sudore caldo, Shahr. "Analisi della resistenza al rigonfiamento di nuove leghe per reattori nano-modificate". AZonano.11 settembre 2022.11 settembre 2022.
Sudore caldo, Shahr. "Analisi della resistenza al rigonfiamento di nuove leghe per reattori nano-modificate". AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38861. (Aggiornato all'11 settembre 2022).
Sudore caldo, Shahr. 2022. Analisi della resistenza al rigonfiamento di nuove leghe nanomodificate per reattori. AZoNano, consultato l'11 settembre 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38861.
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