Ziel des vorgestellten Projekts ist es, den Einfluss der Heliumbildung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von RAFM-Stählen zu untersuchen. Neben mechanischen Tests und Mikrostrukturuntersuchungen an speziellen bordotierten Modelllegierungen werden die Änderungen der Mikrostruktur mittels passender physikalischer Modelle, die die Erzeugung und Entwicklung von Heliumclustern und -blasen im Material beschreiben, nachvollzogen. Diese Modellierungsaktivitäten sind Teil des gemeinsamen Forschungsprojekts "HRJRG-013: High Dose Irradiation Damage of RAFM Steels" der Helmholtz-Gemeinschaft und der Russian Foundation for Basic Research.
Bei der Bestrahlung mit hochenergetischen Neutronen werden durch Transmutation Wasserstoff und Helium in den RAFM-Stählen gebildet. Es wird angenommen, dass dies starke Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Materialien hat, vor allem auf die Versprödung.
Um den Effekt des Heliums auf die mechanischen Eigenschaften von RAFM-Stählen zu untersuchen, wird eine Bor-Dotierungstechnik verwendet, da 10B (ein Bor-Isotop mit einem Anteil von 20%) bei Neutronenbestrahlung in einem Spaltungsreaktor zu Helium und Lithium umgewandelt wird. Zu diesem Zweck werden EUROFER97-basierte Legierungen mit unterschiedlichen Mengen natürlichem Bor und 10B versetzt und im High Flux Reactor (HFR) Petten und Bor-60 bestrahlt. Die Variation des 10B-Gehalts führt somit zu unterschiedlichen Heliumkonzentrationen im Material. Auf diese Weise kann die Produktion von Helium in einem zukünftigen Fusionsreaktor simuliert werden.
Einfluss von Heliumbildung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Strukturwerkstoffen
Bei niedrigen Bestrahlungstemperaturen Tirr ≤ 350°C und Heliumkonzentrationen unterhalb von 430 appm zeigen die bordotierten Legierungen mit steigendem Heliumgehalt eine schrittweise ansteigende Versprödung (Abb. 1). Diese wird der Verfestigung durch Heliumbläschen zugeschrieben, die homogen in der Stahlmatrix verteilt sind. Bei hohen Bestrahlungstemperaturen Tirr≥400°C sind die Heliumblasen wesentlich größer und überwiegend in der Nähe von Versetzungen angesiedelt, haben vermutlich deswegen nur einen geringen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften.
Das Ziel des im Rahmen einer Doktorarbeit stattfindenden Teilprojekts ist es, ein phänomenologisches Modell zu entwickeln, um die Bildung und das Wachstum von Heliumblasen unter Neutronenbestrahlung in niedrig aktivierbaren ferritisch/martensitischen (RAFM) Stählen zu beschreiben.
Das entwickelte Modell beruht auf kinetischen Ratengleichungen für die Beschreibung von Bildung, Diffusion und Zusammenlagerung von Heliumatomen. Die durch Transmutation homogen im Material erzeugten Heliumatome bewegen sich per Diffusion durch das Material, können Paare bilden oder von größeren Clustern eingefangen werden. Die Wahrscheinlichkeiten für das Einfangen oder die Emission von Heliumatomen aus größeren Clustern werden durch kinetische Koeffizienten ausgedrückt. Durch numerische Lösung des Systems aus Differentialgleichungen (FORTRAN-Code) kann die zeitliche Entwicklung der Clustergrößenverteilung während des Bestrahlungsprozesses berechnet werden (siehe Abb. 2). Das SPICE-Bestrahlungsexperiment dauerte 6,67x107 Sekunden (~2 Jahre).
Das Modell ist an die bordotierten Modelllegierungen angepasst, um die Simulationsergebnisse mit den Resultaten der quantitativen Mikrostrukturuntersuchungen abzugleichen. Zusätzliche Defekte, die als Senken für Heliumatome wirken (Korngrenzen, Versetzungen u.ä.) werden in das Modell implementiert. Durch Anpassung der Modellparameter an die Bedingungen im Fusionsreaktor lässt sich die zeitabhängige Größenverteilung der Heliumcluster in RAFM-Stählen vorhersagen. Weiterhin soll geprüft werden, ob sich einfache Verfestigungsmodelle, wie z.B. das erwähnte DBH-Modell, eignen, um die Festigkeitserhöhung durch Helium in den Modelllegierungen beschreiben zu können. Damit wäre eine Voraussage möglich, inwieweit die Bildung von Helium Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der RAFM-Stähle unter Neutronenbestrahlung in zukünftigen Fusionsreaktoren hat.
Publikationen
E. Gaganidze, C. Petersen, E. Materna-Morris, C. Dethloff, O. J. Weiß, J. Aktaa, A. Povstyanko, A. Fedoseev, O. Makarov, V. Prokhorov, Mechanical properties and TEM examination of RAFM steels irradiated up to 70 dpa at BOR-60, J. Nucl. Mater. (2011), doi: 10.1016/j.jnucmat.2010.12.047