Microstructuur van n-bestraald wolfraam: experimenteel onderzoek en modellering

Korte projectbeschrijving Ontwikkeling en kwalificatie van materialen voor plasma-gerichte en structurele toepassingen voor DEMO is een van de zwaarste taken in het EUROfusion-programma binnen HORIZONT2020 met een totale begroting van meer dan 100ME. Op wolfraam en wolfram gebaseerde composieten worden momenteel beschouwd als de belangrijkste kandidaten voor bepantsering en divertor (inclusief structurele functie) in DEMO. Een pantsermateriaal heeft een hoge scheurweerstand nodig onder extreme thermische bedrijfsomstandigheden en compatibiliteit met plasma-wand-interactieverschijnselen, terwijl een constructiemateriaal buigzaam moet zijn binnen het temperatuurbereik van de bewerking. Beide materiaalsoorten moeten ook stabiel zijn met betrekking tot hoge stralingsdoses voor neutronen en productiecijfers voor helium. Het ontwerp van DEMO divertor blijft een van de meest uitdagende taken in de huidige Fusion Roadmap. De plasma-facingmaterialen die voor ITER-toepassing worden overwogen, zouden tijdens hun levensduur slechts beperkte hoeveelheden dpa mogen ontvangen (~ 0,1-0,5 dpa), terwijl Tungsten die als eerste muurbepantsering en op Tungsten gebaseerde composieten voor structurele toepassingen in DEMO zijn uitgekozen, naar verwachting doseringen zullen ontvangen tot 20 dpa. Onder deze omstandigheden is de impact van n-bestraling op mechanische en thermische eigenschappen momenteel onbekend! Vier fysische afbrekingsprocessen zullen gelijktijdig plaatsvinden: (i) beschadiging door neutronenbestraling, (ii) warmteovergangen, (iii) plasmagasopname en (iv) nucleaire transmutatie. Dientengevolge zal de combinatie van deze verschijnselen de structurele integriteit en operationele limiet van de naar het plasma gerichte componenten (PFC) bepalen. Hoewel splijtbestraling momenteel de enige optie is om door te gaan met de database met ontwerpmateriaal, is fissie niet volledig equivalent aan fusie, vanwege: zachtere neutronenspectra (gebrek aan 14 MeV), hoge thermische / snelle verhouding (versterkte W-transmutatie), lagere dosis snelheid (verbeterde defect gloeien). Het SCK • CEN lanceert een grootschalige neutronenbestralingscampagne ter ondersteuning van de EUROFusion-behoeften voor de baseline en geavanceerde wolfraamkwaliteiten. Het is het TUNER-project (Tungsten Neutron Radiation) en het omvat meer dan 500 monsters voor Post Irradiation Investigation (PIE) binnen 2017-2018. Onder andere is een van de doelen van dit programma om de impact van de neutronenbestraling op de microstructuur van commercieel verkrijgbare wolfraamkwaliteiten te verduidelijken en de door neutronen geïnduceerde kenmerken in een breed bereik van doses en temperaturen te onderzoeken. Deze actie zal worden uitgevoerd door middel van (a) een nabestralingscampagne waarbij gebruik wordt gemaakt van positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), evenals (b) een fysiek gebaseerd computationeel hulpmiddel voor het rationaliseren van de microstructuur verkregen in BR2 voorwaarden. Doelstelling Het wetenschappelijke doel van het project is om de prestaties van baseline en nieuwe wolfraamkwaliteiten te valideren met een potentieel om neutronenbestralingsschade te tolereren en om verbeterde taaiheid en lage zwelling te bieden als matrixmateriaal voor composieten op basis van wolfraam. Het project zal gebaseerd zijn op: (a) gebruik van experimentele faciliteiten beschikbaar bij LHMA voor microstructurele karakterisering, zoals PALS, TEM en SEM-EBSD. (b) exploitatie / ontwikkeling van het computationeel instrument op basis van kinetische Monte-Carlo-technieken voor het simuleren van microstructurele schade geïnduceerd door snelle en thermische neutronen in BR2-omstandigheden en specifiek toegepast op het TUNER-project. Het belangrijkste technische doel is het beschrijven van de door bestraling geïnduceerde microstructuur die evolueert als gevolg van neutronenbeschadiging in een breed temperatuurbereik (400-1200 C) als een functie van de microstructuur van het uitgangsmateriaal en de geaccumuleerde bestralingsdosis (0,05, 0,1, 0,5 en 1 dpa) ). Een van de belangrijkste technologische aandachtspunten is de vorming van lege ruimten die resulteert in zwelling, verlies van thermische geleidbaarheid en verhoging van de ductiliteit tot brosse overgangstemperatuur (DBTT). Daarom is de primaire experimentele informatie verkregen met behulp van PALS gekoppeld aan ontlatingstests om de thermische stabiliteit van de neutronenschade te verduidelijken. Transmissie-elektronenmicroscopie zal als aanvullend hulpmiddel worden gebruikt. Ter ondersteuning van PALS / TEM-metingen zal de rationalisatie van de experimentele resultaten worden uitgevoerd met behulp van fysisch gebaseerde modellering, waarvoor de NMS / SMM-eenheid veel ervaring heeft met het toepassen van vergelijkbaar BCC-metaal: ijzer en Fe-Cr-koolstoflegeringen. De belangrijkste computationele tool zal kinetische Monte Carlo (KMC) -technieken zijn, gebaseerd op de meest recente ontwikkelingen van Dr. Castin (die ook co-mentor is voor dit project) om hybridisatie van object- en atomistische methoden mogelijk te maken. Dit zal het mogelijk maken om gelijktijdig door straling geïnduceerde objecten (dat wil zeggen puntdefecten, lussen, lege ruimten, enz.) En door transmutatie geïnduceerde Re / Os-opgeloste stoffen tegelijkertijd te behandelen. Behandeling van de transmutatieproducten is absoluut noodzakelijk omdat de hoge fractie thermische neutronen in BR2-spectrum vergeleken met het verwachte fusiespectrum. Gezien het succes van het model moet de voorspelling van de impact van neutronenbeschadiging op de microstructuur van baseline en geavanceerde wolfraamkwaliteiten worden gemaakt voor verwachte fusievoorwaarden. Dit kan worden gedaan door het relevante fusiespectrum en de schadepercentages, volgens beschikbare conceptuele studies, in het KMC-hulpmiddel te introduceren en de microstructuur in de zones van de afleidingsstaking, koepel en eerste wandbepantsering te modelleren. Dit project zal daarom helpen om te verduidelijken in hoeverre en wat de beste manier is om de splijtingbestraling te gebruiken om de impact van neutronenbestraling in verwachte fusievoorwaarden te karakteriseren.