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In uno studio pre-dimostrato pubblicato sul Journal of Nuclear Materials, l'acciaio inossidabile austenitico di nuova fabbricazione con precipitati di NbC nanodimensionali uniformemente distribuiti (ARES-6) e l'acciaio inossidabile 316 convenzionale sono stati esaminati sotto irradiazione con ioni pesanti. Il comportamento post-rigonfiamento è stato utilizzato per confrontare i vantaggi dell'ARES-6.
Studio: Resistenza al rigonfiamento dell'acciaio inossidabile austenitico con precipitati di NbC su scala nanometrica uniformemente distribuiti sotto irradiazione con ioni pesanti. Credito 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 a flussi di radiazioni elevati.
La variazione morfologica degli acciai inossidabili austenitici in seguito alla cattura neutronica influisce negativamente su parametri fisici quali l'indurimento da radiazioni e la decomposizione termica. Cicli di deformazione, porosità ed eccitazione sono esempi di evoluzione microstrutturale indotta dalle radiazioni, comunemente riscontrata negli acciai inossidabili austenitici.
Inoltre, l'acciaio inossidabile austenitico è soggetto all'espansione sotto vuoto indotta dalle radiazioni, che può portare alla distruzione potenzialmente letale dei componenti del nocciolo del reattore. Pertanto, le innovazioni nei moderni reattori nucleari, volte a garantire una maggiore durata e produttività, richiedono l'impiego di componenti complessi in grado di resistere a una maggiore quantità di radiazioni.
Dall'inizio degli anni '70, sono stati proposti numerosi metodi per lo sviluppo di materiali radioattivi. Nell'ambito degli sforzi per migliorare l'efficienza di radiazione, è stato studiato il ruolo dei principali aspetti dell'elasticità di espansione nel vuoto. Tuttavia, poiché gli acciai inossidabili austenitici ad alto contenuto di nichel sono molto sensibili all'infragilimento da radiazione dovuto alla deformazione delle goccioline di elio, gli acciai inossidabili a bassa austenite non possono garantire un'adeguata protezione dalla corrosione in condizioni corrosive. Esistono anche alcune limitazioni al miglioramento dell'efficienza di radiazione, che si ottengono regolando la configurazione della lega.
Un altro approccio consiste nell'includere diverse caratteristiche microstrutturali che possano fungere da punti di drenaggio per le rotture puntuali. L'assorbimento può contribuire all'assorbimento dei difetti intrinseci indotti dalle radiazioni, ritardando la formazione di buchi e cerchi di spostamento creati dal raggruppamento di lacune e lacune.
Numerose dislocazioni, minuscoli precipitati e strutture granulari sono stati proposti come assorbitori in grado di migliorare l'efficienza della radiazione. Il progetto concettuale basato sulla 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, il gap si rimargina gradualmente sotto l'influenza delle radiazioni e non svolge pienamente la funzione di punto di drenaggio.
Di recente, i ricercatori hanno prodotto acciaio inossidabile austenitico con una proporzione comparabile di precipitati di nanocarburo di niobio uniformemente dispersi nella matrice, utilizzando un processo industriale di produzione dell'acciaio in seguito denominato ARES-6.
Si prevede che la maggior parte dei precipitati fornisca sufficienti siti di assorbimento per i difetti intrinseci di radiazione, aumentando così l'efficienza di radiazione delle leghe ARES-6. Tuttavia, la presenza di precipitati microscopici di carburo di niobio non fornisce le proprietà di resistenza alle radiazioni attese in base al framework.
Pertanto, lo scopo di questo studio era di testare l'effetto positivo dei piccoli carburi di niobio sulla resistenza all'espansione. Sono stati inoltre studiati gli effetti del rateo di dose correlati alla longevità di patogeni nanoscopici durante il bombardamento ionico intenso.
Per studiare l'aumento del gap, una lega ARES-6 di nuova produzione con nanocarburi di niobio uniformemente dispersi ha eccitato acciaio industriale e lo ha bombardato con ioni di nichel a 5 MeV. Le seguenti conclusioni si basano su misurazioni del rigonfiamento, studi della microstruttura con microscopia elettronica nanometrica e calcoli della resistenza alla caduta.
Tra le proprietà microstrutturali di ARES-6P, l'elevata concentrazione di precipitati di carburo di nanoniobio è la ragione principale dell'aumentata elasticità durante il rigonfiamento, sebbene anche l'elevata concentrazione di nichel giochi un ruolo importante. Data l'elevata frequenza di spostamenti, ARES-6HR ha mostrato un'espansione paragonabile ad ARES-6SA, suggerendo che, nonostante la maggiore resistenza della struttura del serbatoio, lo spostamento in ARES-6HR da solo non può fornire un sito di drenaggio efficace.
Dopo il 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 utilizzato in questo lavoro, la maggior parte dei patogeni preesistenti nei campioni non irradiati si è gradualmente dissipata nella matrice.
Sebbene si preveda che la capacità di drenaggio dell'ARES-6P sia tre volte superiore a quella della piastra in acciaio inossidabile 316, l'aumento misurato dell'espansione è di circa sette volte.
La dissoluzione dei precipitati di nanocarburo di niobio in seguito all'esposizione alla luce spiega la grande discrepanza tra la resistenza al rigonfiamento prevista e quella effettiva di ARES-6P. Tuttavia, si prevede che i cristalliti di nanocarburo di niobio siano più resistenti a dosi inferiori e che l'elasticità di espansione di ARES-6P sarà notevolmente migliorata in futuro nelle normali condizioni di una centrale nucleare.
Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., e AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., e AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Chon, K., Eom, HJ, Jang, K. e Al-Musa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., e AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., e AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Chon, K., Eom, HJ, Jang, K. e Al-Musa, N. (2022).Resistenza al rigonfiamento dell'acciaio inossidabile austenitico con precipitati di NbC nanodimensionali uniformemente distribuiti 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 reattiva 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 reattoriche nano-modificate". AZonano.11 settembre 2022 .11 settembre 2022 .
Sudore caldo, Shahr. "Analisi della resistenza al rigonfiamento di nuove leghe reattoriche nanomodificate". 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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