Μελέτη βλαβών που προκαλούνται από ακτινοβόληση με πρωτόνια σε κράματα Fe-Cr με μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης
Authors: Κοτσίνα Ζωή 
Published: September 2021

Τα φερριτικά - μαρτενσιτικά ατσάλια με βάση το δυαδικό κράμα Fe-Cr αποτελούν υποψήφια δομικά υλικά για μελλοντική εφαρμογή σε συστήματα παραγωγής ενέργειας μέσω σύντηξης, λόγω της υψηλής τους αντοχής σε συνθήκες ακτινοβόλησης και των ικανοποιητικών μηχανικών τους ιδιοτήτων. Παρόλα αυτά, προβλήματα όπως η ψαθυροποίηση κατά την ακτινοβόληση σε χαμηλή θερμοκρασία μένει ακόμα να επιλυθούν, ώστε να καταστεί δυνατή η επιτυχής εφαρμογή των φερριτικών/μαρτενσιτικών ατσαλιών. Αυτό προϋποθέτει βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς τους σε συνθήκες ακτινοβόλησης. Γενικά, η έκθεση των υλικών σε συνθήκες ακτινοβόλησης υποβαθμίζει σταδιακά τις επιθυμητές μακροσκοπικές τους ιδιότητες. Αυτό οφείλεται σε βλάβες που δημιουργούνται αρχικά σε μικροσκοπικό επίπεδο, όπως η μετατόπιση ατόμων από τις κρυσταλλικές τους θέσεις έπειτα από κρούση με τα ενεργητικά σωματίδια της ακτινοβολίας. Η μελέτη των ατομικών αυτών ατελειών, καθώς και της μετέπειτα κινητικής και αλληλεπίδρασής τους αποτελεί βασικό στοιχείο για την κατανόηση της συμπεριφοράς και πιθανής αστοχίας των υλικών υπό ακτινοβόληση.Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μελετώνται οι βασικές ιδιότητες σημειακών ατελειών σε κράματα Fe-Cr οι οποίες δημιουργούνται με ελεγχόμενο τρόπο κατά την ακτινοβόληση με πρωτόνια ενέργειας 5 MeV σε κρυογενική θερμοκρασία 50 Κ. Η κινητική των ατελειών παρατηρείται κατά την θερμική ανόπτηση των δειγμάτων, η οποία διαδέχεται την ακτινοβόληση. Επιπλέον, μελετάται η μεταβολή της ατομικής τάξης των κραμάτων κατά την ακτινοβόληση. Η φυσική ποσότητα που χρησιμοποιείται για τη παρατήρηση των φαινομένων αυτών είναι η ηλεκτρική αντίσταση η οποία μετράται in-situ κατά τη διεξαγωγή των ακτινοβολήσεων και ανοπτήσεων. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε τέσσερις διαφορετικές συγκεντρώσεις χρωμίου (0, 5.8, 10.8 και 15.14 at. %) και σε τρία επίπεδα δόσης ακτινοβόλησης, οπότε προέκυψε ένα εκτενές σύνολο πειραματικών δεδομένων αποκατάστασης, το οποίο δίνει πολλές πληροφορίες για την κινητική των ατελειών από ακτινοβόληση. Η συγκεκριμένη μελέτη αποτελεί την πλέον λεπτομερή που έχει γίνει έως σήμερα, με τα αποτελέσματα να συνιστούν μία εκτενή βάση δεδομένων για την επιβεβαίωση νέων θεωρητικών μοντέλων. Τα αποτελέσματα για τον καθαρό Fe (μηδενική συγκέντρωση Cr) αναλύθηκαν με χρήση θεωρίας διάχυσης, η οποία εφαρμόζεται για πρώτη φορά με επιτυχία στον Fe, και συγκρίθηκαν με προηγούμενα λεπτομερή δεδομένα ακτινοβόλησης με ηλεκτρόνια. Από τη σύγκριση εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα για τη φύση της κρυσταλλικής βλάβης που προκαλούν τα πρωτόνια. Όσον αφορά τα κράματα, τα αποτελέσματα δείχνουν πολύ διαφορετική συμπεριφορά στη χαμηλή (5.8 at. %) σε σύγκριση με τις υψηλότερες (10.8, 15.14 at.%) συγκεντρώσεις Cr. Το αποτέλεσμα αυτό έρχεται σε αντίθεση με την μέχρι τώρα θεώρηση, όπως αυτή έχει διαμορφωθεί από προηγούμενα (όχι τόσο λεπτομερή) πειράματα και θεωρητικούς υπολογισμούς. Τέλος, μελετώνται επίσης φαινόμενα μεταβολής της τάξης μικρής εμβέλειας των κραμάτων Fe-Cr τα οποία επάγονται από την ακτινοβόληση με πρωτόνια ενέργειας 5 MeV σε θερμοκρασία 400 Κ. Τα πειραματικά αποτελέσματα αναλύονται στη βάση ενός μοντέλου όπου οι ατέλειες που δημιουργούν τα πρωτόνια προξενούν ατομική διάχυση του Cr με αποτέλεσμα να καθίσταται δυνατή η αναδιάταξή του μέσα στο κράμα. Το φαινόμενο έχει ιδιαίτερη σημασία για τη φασική σταθερότητα των κραμάτων κατά την ακτινοβόληση.