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Mar 10, 2024

Guardando all'interno dell'acciaio irradiato

Uno dei principi fondanti della scienza dei materiali è che la microstruttura interna di un materiale ne controlla le prestazioni. Per questo motivo c'è sempre stato un forte interesse

Uno dei principi fondanti della scienza dei materiali è che la microstruttura interna di un materiale ne controlla le prestazioni. Per questo motivo, c’è sempre stato un forte interesse nello studio e nella classificazione delle strutture interne dei materiali come mezzo per comprenderne e prevederne le prestazioni. La maggior parte di questo lavoro è stata aiutata dal continuo e rapido sviluppo di tecniche di analisi microstrutturale per sondare regioni sempre più piccole della struttura materiale, fino al livello atomistico.

Le informazioni a livello atomistico sono fondamentali per comprendere i cambiamenti interni nel materiale. Tuttavia, la sfida principale è collegare tale comprensione alle prestazioni di strutture di materiali su scala realistica. Il nostro interesse era costruire, a livello atomistico, informazioni per comprendere come si comportano le strutture reali in condizioni applicative reali: possiamo comprendere la durabilità di una struttura dalla caratterizzazione dei materiali a livello atomistico?

Le strutture in acciaio irradiato sono state utilizzate a lungo per la costruzione di sistemi nucleari e rappresentano una priorità elevata per le applicazioni nella prossima generazione di sistemi di reattori nucleari avanzati. Per i sistemi nucleari avanzati, gli acciai con composizioni da Fe-9 a 12Cr hanno attirato il maggiore interesse e i maggiori livelli di attività sperimentali e di modellizzazione. Questi tipi di acciaio irradiato sono stati utilizzati nei sistemi nucleari avanzati e sono di grande interesse per i sistemi futuri perché sono resistenti ai danni interni causati dall'irradiazione. L'esposizione a intensi campi di irradiazione all'interno di un reattore nucleare può modificare drasticamente le proprietà meccaniche del materiale e può alterare le dimensioni fisiche del materiale. Trovare materiali in grado di resistere a questi cambiamenti è essenziale per i cicli di vita e la sicurezza dei reattori.

Qui descriviamo le scoperte sperimentali sul modello da Fe-9 a 12 Cr e sulle leghe di acciaio commerciali per mostrare cosa succede all'interno dell'acciaio irradiato quando è sottoposto a intensi campi di irradiazione a temperature elevate all'interno di un reattore nucleare in funzione. I nostri materiali sono stati irradiati nell'Advanced Test Reactor (ATR) presso l'Idaho National Laboratory (INL). Sono stati sottoposti a irradiazioni di neutroni fino a 10 spostamenti per atomo (dpa). La cifra di merito per i danni da radiazioni, dpa, indica quante volte in media ciascun atomo nel materiale è stato spostato dalla sua posizione normale in un'altra posizione nel materiale. 10 dpa indica che ogni atomo nel materiale è stato sbattuto o spostato dalla sua posizione iniziale in un'altra posizione dieci volte durante l'esposizione all'irradiazione. Quindi, in media, tutti gli atomi del materiale non si trovano nella stessa posizione in cui sono partiti. Molti di essi ricadono nelle posizioni normali nel reticolo cristallino del materiale, ma alcuni si muovono e si combinano con altri atomi "spostati" per formare "difetti" o ammassi diversi dalla struttura di partenza.

È possibile osservare l'evoluzione dei cluster di difetti nell'acciaio irradiato. L'uso di fasci ionici ad alta energia diretti in un microscopio elettronico a trasmissione stimola i danni riscontrati nei reattori nucleari. Questa tecnica fornisce un quadro chiaro dei modi in cui si formano e crescono piccoli cluster di difetti con il danno da irradiazione. I piccoli punti "neri" che si formano con l'esposizione all'irradiazione, mostrati nella Fig. 1, sono piccoli ammassi di atomi che sono stati "spostati" e spostati insieme per formare piccoli ammassi. Questi cluster agiscono come un agente rinforzante per rendere il materiale più resistente, ma tendono anche a renderlo più fragile.

Le strutture del danno da irradiazione mostrate in Fig. 1 sono un'indicazione di cosa può accadere quando si irradia una piccola e sottile fetta di materiale. Per le condizioni reali del reattore, è utile esaminare i materiali che sono stati irradiati in un reattore in funzione. Abbiamo esaminato questi tipi di materiali, come l'acciaio irradiato, che è stato irradiato all'interno dell'ATR dell'INL. L'ATR è una struttura in cui grandi volumi di materiali sperimentali possono essere irradiati fino a livelli di danno di interesse per i sistemi di energia nucleare attuali e avanzati.