Interactions between irradiation defects and solute atoms in ferritic steels based on the binary Fe-Cr system
Authors: Θεοδώρου Ανδρέας 
Published: October 2022

Τα φεριττικά/μαρτενσιτικά ατσάλια χαμηλής ενεργοποίησης (Reduced Activation Ferritic/Martensitic RAFM) με βάση το δυαδικό κράμα Fe-Cr θεωρούνται η κύρια επιλογή ως δομικά υλικά για το μελλοντικό σταθμό παραγωγής ενέργειας μέσω σύντηξης (DEMO). Στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Προγράμματος Σύντηξης (EUROfusion), το ειδικό ατσάλι τύπου RAFM που προτάθηκε για αυτόν το σκοπό είναι το “Eurofer97”, ένα υλικό που παρασκευάστηκε σε Ευρωπαϊκά ερευνητικά εργαστήρια. Τα ατσάλια τύπου RAFM παρουσιάζουν καλές μηχανικές ιδιότητες και υψηλή αντοχή στη συσσώρευση ατελειών από ακτινοβόληση. Ωστόσο, εκτός από τις πολλές θετικές τους ιδιότητες, η σκλήρυνση και η ευθραυστότητα που παρουσιάζουν κατά την ακτινοβολούνται από νετρόνια σε χαμηλές θερμοκρασίες και η ισχυρή πτώση της μηχανική τους αντοχής σε υψηλότερες θερμοκρασίες είναι μερικά από τα πιο δύσκολα ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Η προέλευση αυτών των φαινομένων δεν έχει ακόμη διευκρινιστεί και είναι απαραίτητη η κατανόηση τους προκειμένου να επεκταθεί το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας. Κατά τη διάρκεια της ακτινοβόλησης, η αλληλεπίδραση των σωματιδίων με την ύλη μπορεί να προκαλέσει ατομικές μετατοπίσεις που οδηγούν στο σχηματισμό σημειακών ατελειών, όπως πλεγματικά κενά (vacancy, V), ενδοπλεγματικά άτομα (self-interstitial atom, SIA), τα οποία μαζί αναφέρονται και ως “Frenkel pair”, και μικρά σύμπλοκα τους. Η εξέλιξη αυτών των ατελειών λόγω της θερμικής τους μετανάστευσης, των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων και των αλληλεπιδράσεών τους με προσμίξεις, οδηγούν μακροπρόθεσμα στην υποβάθμιση των μακροσκοπικών ιδιοτήτων των κραμάτων όπως η μηχανική αντοχή ή η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα. Ως εκ τούτου, μια εκτενέστερη διερεύνηση των θεμελιωδών ιδιοτήτων των πρωτογενών ατελειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της συμπεριφοράς των ατσαλιών κατά την παρατεταμένη ακτινοβόληση. Είναι επίσης καίριας σημασίας, για τις πρόσφατες εκτενείς ερευνητικές προσπάθειες μοντελοποίησης και προσομοίωσης των βλαβών από ακτινοβολία στόχο την πρόβλεψη της διάρκειας ζωής των υλικών στο περιβάλλον ενός ηλεκτροπαραγωγικού σταθμού σύντηξης.Στην παρούσα διατριβή, μελέτησα τις βασικές ιδιότητες των πρωτογενών σημειακών ατελειών σε φερριτικά κράματα και ατσάλια, και τις αλληλεπιδράσεις τους με τις πιο σημαντικές προσμίξεις όπως ο άνθρακας (C) και το άζωτο (Ν). Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποίησα την τεχνική της ανάκτησης της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης (Resistivity Recovery, RR), η οποία αποτελείται από (i) την δημιουργία ατελειών με ακτινοβόληση σε χαμηλή θερμοκρασία (συνήθως σε κρυογενικές συνθήκες) και (ii) την μέτρηση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης για την παρακολούθηση της εξέλιξης των ατελειών κατά την θερμική ανόπτηση μετά την ακτινοβόληση. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε σίδηρο εμπλουτισμένο με C και N, σε κράμα Fe10%Cr εμπλουτισμένο με C και σε ατσάλι Eurofer97, το οποίο ουσιαστικά είναι ένα κράμα Fe-Cr που περιέχει C, N και άλλες προσμίξεις.Στην περίπτωση του Fe που περιέχει C και N, μπόρεσα να μελετήσω την αλληλεπίδραση αυτών των προσμίξεων με πρωτογενείς ατέλειες στο απλούστερο φερριτικό υλικό του καθαρού μετάλλου. Τα πειράματα δείχνουν ξεκάθαρα ότι οι προσμίξεις C και το N αλληλεπιδρούν τόσο με τα SIA όσο και με τα πλεγματικά κενά και σχηματίζουν σταθερά σύμπλοκα. Αυτό επηρεάζει τις ιδιότητες μετανάστευσης των ατελειών και των προσμίξεων, και την δημιουργία καρβιδίων και νιτριδίων. Πράγματι, στα πειράματά μου παρατηρήθηκε η επίδραση των ατελειών στην πυρινογένεση καρβιδίων και νιτριδίων. Ιδιαίτερα στο κράμα Fe-N, κατέστη δυνατή η μοντελοποίηση του φαινομένου χρησιμοποιώντας την κλασική κινητική θεωρία σε συνδυασμό με ενεργειακές παραμέτρους των ατελειών που ελήφθησαν για αυτόν τον σκοπό με θεωρητικές μεθόδους ab initio από την Δρ. Chu-Chun Fu (CEA, SRMP, Γαλλία). Έτσι, μπορέσαμε να επιβεβαιώσουμε την ισχυρή ενέργεια σύνδεσης των συμπλόκων vacancy-Ν, η οποία αποσαφήνισε ασυμφωνίες προηγούμενων μελετών. Επίσης, εξηγήσαμε το μηχανισμό με τον οποίο η ακτινοβόληση ανταγωνίζεται την πυρινογένεση των νιτριδίων.Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε πιο πολύπλοκα κράματα όπως στο Fe-Cr και στο Eurofer97. Είναι στην πραγματικότητα η πρώτη φορά που γίνονται τέτοια πειράματα σε ατσάλια τύπου RAFM. Ωστόσο, η ερμηνεία της ανάκτησης της ειδικής αντίστασης, RR, παρουσιάζει δυσκολίες, ακόμη και στο απλούστερο κράμα Fe-Cr, λόγω των πολλών διαφορετικών διαμορφώσεων των ατελειών ακτινοβολίας που είναι δυνατές λόγω της παρουσίας του Cr και πολλών ατόμων από διαλυμένες ουσίες στο Eurofer97. Οι μετρήσεις στο Fe-Cr δείχνουν ότι σε αυτό το υλικό ο C δεν παίζει σημαντικό ρόλο στη μετανάστευση των ατελειών από ακτινοβόληση. Ωστόσο, στο Eurofer97 μπόρεσα να διαπιστώσω ότι η μετανάστευση των πλεγματικών κενών παρεμποδίζεται λόγω της παγίδευσής τους από άτομα διαλυμένων ουσιών, πιθανότατα μαγγάνιο Mn.