Заглянем внутрь облученной стали

Jul 20, 2023

Одним из основополагающих принципов материаловедения является то, что внутренняя микроструктура материала определяет его характеристики. По этой причине всегда существовал большой интерес к изучению и классификации внутренних структур материалов как средству понимания и прогнозирования их характеристик. Большую часть этой работы способствовало продолжающееся и быстро развивающееся развитие методов микроструктурного анализа, позволяющих исследовать все меньшие и меньшие области структуры материала, вплоть до атомистического уровня.

Информация на атомистическом уровне имеет решающее значение для понимания внутренних изменений в материале. Однако основная задача состоит в том, чтобы связать это понимание с характеристиками структур материалов реалистичного масштаба. Мы были заинтересованы в создании на атомистическом уровне информации, чтобы понять, как реальные структуры ведут себя в реальных условиях применения – можем ли мы понять долговечность конструкции на основе наших характеристик материалов на атомистическом уровне?

Облученные стальные конструкции уже давно используются для строительства ядерных систем и являются приоритетными для применения в новом поколении усовершенствованных ядерных реакторных систем. Что касается перспективных ядерных систем, стали с составом от Fe-9 до 12Cr вызвали наибольший интерес и наибольший уровень экспериментальной и модельной деятельности. Эти типы облученной стали использовались в современных ядерных системах и представляют большой интерес для будущих систем, поскольку они устойчивы к внутренним повреждениям, вызванным облучением. Воздействие интенсивных полей облучения внутри ядерного реактора может радикально изменить механические свойства материала и его физические размеры. Поиск материалов, способных противостоять этим изменениям, имеет важное значение для жизненного цикла и безопасности реактора.

Здесь мы описываем экспериментальные открытия на моделях от Fe-9 до 12 Cr и промышленных стальных сплавах, чтобы показать, что происходит внутри облученной стали, когда она подвергается интенсивным полям облучения при повышенных температурах внутри действующего ядерного реактора. Наши материалы были облучены в усовершенствованном испытательном реакторе (ATR) Национальной лаборатории Айдахо (INL). Их подвергли нейтронному облучению до 10 смещений на атом (сПа). Показатель эффективности радиационного повреждения dpa показывает, сколько раз в среднем каждый атом материала выбивался из своего нормального положения в другое место в материале. 10 dpa указывает на то, что каждый атом в материале был сбит или смещен из исходного положения в другое место десять раз за время воздействия облучения. Таким образом, в среднем все атомы материала находятся не в тех положениях, в которых они находились изначально. Многие из них возвращаются в нормальное положение в кристаллической решетке материала, но некоторые перемещаются и объединяются с другими «смещенными» атомами, образуя «дефекты» или кластеры, которые отличаются от исходной структуры.

Можно наблюдать эволюцию скоплений дефектов в облученной стали. Использование пучков ионов высокой энергии, направленных в просвечивающий электронный микроскоп, стимулирует повреждения, обнаруживаемые в ядерных реакторах. Этот метод дает четкое представление о том, как формируются и растут небольшие кластеры дефектов при радиационном повреждении. Маленькие «черные» точки, образующиеся под воздействием облучения, показанные на рис. 1, представляют собой небольшие кластеры атомов, которые были «смещены» и сдвинуты вместе, образуя небольшие кластеры. Эти кластеры действуют как упрочняющий агент, делая материал более прочным, но они также имеют тенденцию делать материал более хрупким.

Структуры радиационных повреждений, показанные на рис. 1, являются показателем того, что может произойти при облучении небольшого тонкого среза материала. Для реальных условий реактора полезно рассмотреть материалы, которые были облучены в работающем реакторе. Мы исследовали такие типы материалов, как облученная сталь, которые были облучены внутри ATR в INL. ATR — это установка, где можно облучать большие объемы экспериментальных материалов до уровня повреждения, представляющего интерес для современных и передовых систем ядерной энергетики.