Μελέτη βλαβών που προκαλούνται από ακτινοβόληση με πρωτόνια σε κράματα Fe-Cr με μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης

Abstract

Ferritic - Martensitic steels, based on the binary Fe-Cr system, are candidate structural materials for the construction of future Fusion Power Plants, mainly because of their high resistance to radiation damage accumulation and their desirable mechanical properties. However, issues such as the embrittlement during low temperature irradiation need to be resolved for their successful implementation. In order to achieve this, a deeper understanding of their behavior under irradiation conditions is required.The present thesis studies the basic properties of point defects in Fe-Cr alloys, which are generated during irradiation with a 5 MeV proton beam at cryogenic temperature (~50K). Defects evolution is observed during the post-irradiation thermal annealing of the samples. In addition, the variation of the atomic order during irradiation is studied in these alloys. The physical property used for the observation of these phenomena is the in-situ measurement of electrical resistivity during the irradiation and annealing experiments.Experiments were carried out at four chromium concentrations (0, 5.8, 10.8 and 15.14 at. %) and three irradiation dose levels in order to obtain an extensive experimental dataset, which gives a wealth of information about the kinetics of defects created during proton irradiation. This is the most detailed such study that has been carried out to date and the results constitute an extensive database for validating new theoretical models. The results for pure Fe (zero Cr concentration) were analyzed using an analytical theory of diffusion annealing, which was for the first time applied successfully to Fe and were compared to previous detailed data from electron irradiation. The comparison of the results gives useful conclusions for the nature of the crystal damage caused by protons. Concerning the alloys, the results show a very different behavior in low (5.8 at. %) compared to the high (10.8, 15.14 at. %) Cr concentration region. This result is in contrast with the current view, which is based on previous (not as detailed) experiments and theoretical calculations.Finally, changes in the short-range order of Fe-Cr alloys, which are induced by irradiation with 5 MeV protons at 400 K, are also studied. The experimental results are analysed on the basis of a model, where the proton generated defects are inducing the atomic diffusion of Cr, which in turn enables its rearrangement in the alloy. The phenomenon is particularly important for the phase stability of Fe-Cr during irradiation.

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.