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In einer vorab im Journal of Nuclear Materials veröffentlichten Studie wurden frisch hergestellter austenitischer Edelstahl mit gleichmäßig verteilten NbC-Nanopartikeln (ARES-6) und herkömmlicher Edelstahl 316 unter Schwerionenbestrahlung untersucht. Das Verhalten nach dem Aufquellen wurde untersucht, 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 rostfreie Stähle (SS) werden häufig als gefertigte Innenkomponenten in modernen Leichtwasserreaktoren verwendet, wo sie hohen Strahlungsflüssen ausgesetzt sind.
Die Veränderung der Morphologie austenitischer rostfreier Stähle durch Neutroneneinfang beeinträchtigt physikalische Parameter wie Strahlenhärtung und thermische Zersetzung. Verformungszyklen, Porosität und Anregung sind Beispiele für strahlungsinduzierte Mikrostrukturentwicklungen, die häufig bei austenitischen rostfreien Stählen auftreten.
Darüber hinaus unterliegt austenitischem Edelstahl einer strahlungsbedingten Vakuumausdehnung, die zur potenziell tödlichen Zerstörung von Reaktorkernkomponenten führen kann. Innovationen in modernen Kernreaktoren mit längerer Lebensdauer und höherer Produktivität erfordern daher den Einsatz komplexer Baugruppen, die einer höheren Strahlungsbelastung standhalten.
Seit Anfang der 1970er Jahre wurden zahlreiche Methoden zur Entwicklung radioaktiver Materialien vorgeschlagen. Im Rahmen der Bemühungen zur Verbesserung der Strahlungseffizienz wurde die Rolle der Hauptaspekte der Vakuumausdehnungselastizität untersucht. Da hochnickelhaltige austenitische Edelstähle jedoch sehr anfällig für Strahlenversprödung durch Heliumtröpfchenverformung sind, können niedrigaustenitische Edelstähle unter korrosiven Bedingungen keinen ausreichenden Korrosionsschutz gewährleisten. Zudem gibt es einige Einschränkungen bei der Verbesserung der Strahlungseffizienz durch die Anpassung der Legierungskonfiguration.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, verschiedene mikrostrukturelle Merkmale einzubeziehen, die als Drainagepunkte für Punktfehler dienen können. Senken können zur Absorption strahlungsbedingter intrinsischer Defekte beitragen und so die Bildung von Löchern und Verschiebungskreisen verzögern, die durch die Gruppierung von Leerstellen und Lücken entstehen.
Zahlreiche Versetzungen, winzige Ausscheidungen und körnige Strukturen wurden als Absorber vorgeschlagen, die die Strahlungseffizienz verbessern könnten. Das dynamische Geschwindigkeitskonzept und mehrere Beobachtungsstudien haben die Vorteile dieser mikrostrukturellen Merkmale bei der Unterdrückung der Hohlraumausdehnung und der Verringerung der strahlungsbedingten Komponententrennung aufgezeigt. Der Spalt schließt sich jedoch unter Strahlungseinfluss allmählich und erfüllt die Funktion eines Drainagepunkts nicht vollständig.
Die Forscher produzierten vor kurzem austenitischen Edelstahl mit einem vergleichbaren Anteil an gleichmäßig in der Matrix verteilten Nano-Niobkarbid-Ausscheidungen mithilfe eines industriellen Stahlherstellungsverfahrens, das später ARES-6 genannt wurde.
Die meisten Niederschläge dürften ausreichende Senken für strahlungsbedingte Defekte bieten und so die Strahlungseffizienz von ARES-6-Legierungen erhöhen. Das Vorhandensein mikroskopischer Niederschläge von Niobcarbid bietet jedoch nicht die erwartete Strahlungsresistenz, die auf dem Gerüst basiert.
Ziel dieser Studie war es daher, den positiven Effekt kleiner Niobcarbide auf die Ausdehnungsbeständigkeit zu testen. Auch Dosisleistungseffekte im Zusammenhang mit der Lebensdauer nanoskaliger Krankheitserreger bei Schwerionenbeschuss wurden untersucht.
Um die Spaltvergrößerung zu untersuchen, wurde eine neu hergestellte ARES-6-Legierung mit gleichmäßig verteilten Niob-Nanokarbiden angeregter Industriestahl mit 5-MeV-Nickelionen beschossen. Die folgenden Schlussfolgerungen basieren auf Quellungsmessungen, nanometerelektronenmikroskopischen Mikrostrukturuntersuchungen und Fallfestigkeitsberechnungen.
Unter den mikrostrukturellen Eigenschaften von ARES-6P ist die hohe Konzentration an Nanoniobkarbid-Ausscheidungen der wichtigste Grund für die erhöhte Elastizität während der Quellung, obwohl auch die hohe Nickelkonzentration eine Rolle spielt. Angesichts der hohen Verschiebungsfrequenz zeigte ARES-6HR eine mit ARES-6SA vergleichbare Ausdehnung. Dies deutet darauf hin, dass trotz der erhöhten Festigkeit der Tankstruktur die Verschiebung in ARES-6HR allein keine effektive Entwässerungsstelle gewährleisten kann.
Durch den Beschuss mit Schwerionen wird die nanoskalige quasikristalline Struktur der Niobcarbid-Niederschläge zerstört. Infolgedessen lösten sich bei Verwendung der hier verwendeten Schwerionenbeschussanlage die meisten bereits in unbestrahlten Proben vorhandenen Krankheitserreger allmählich in der Matrix auf.
Obwohl die Entwässerungskapazität von ARES-6P voraussichtlich dreimal so hoch ist wie die einer Platte aus rostfreiem Stahl 316, beträgt die gemessene Ausdehnungszunahme etwa das Siebenfache.
Die Auflösung von Niob-Nanocarbid-Niederschlägen bei Lichteinwirkung erklärt die große Diskrepanz zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Quellbeständigkeit von ARES-6P. Es wird jedoch erwartet, dass Nanoniobcarbid-Kristallite bei niedrigeren Dosierungen haltbarer sind, und die Ausdehnungselastizität von ARES-6P wird sich unter normalen Bedingungen in Kernkraftwerken künftig deutlich verbessern.
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 nanometergroßen NbC-Niederschlägen unter Bestrahlung mit Schwerionen. Journal of Nuclear Materials. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311522001714?via%3Dihub.
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Shahir ist Absolvent der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik des Islamabad Institute of Space Technology. Er hat umfangreiche Forschungsarbeiten zu Luft- und Raumfahrtinstrumenten und -sensoren, Computerdynamik, Luft- und Raumfahrtstrukturen und -materialien, Optimierungstechniken, Robotik und sauberer Energie durchgeführt. Im vergangenen Jahr arbeitete er als freiberuflicher Berater im Bereich Luft- und Raumfahrttechnik. Technisches Schreiben war schon immer Shahirs Stärke. Ob er Preise bei internationalen Wettbewerben gewinnt oder lokale Schreibwettbewerbe gewinnt, er glänzt immer. Shahir liebt Autos. Von der Formel 1 über das Lesen von Automobilnachrichten bis hin zum Kartrennen – sein Leben dreht sich um Autos. Er liebt seinen Sport und versucht immer, Zeit dafür zu finden. Squash, Fußball, Cricket, Tennis und Rennen sind seine Hobbys, denen er gerne seine Zeit widmet.
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