Long-term irradiation effects on reactor-pressure vessel steels - investigations on the nanometer scale

Abstract

Energiereiche Neutronenbestrahlung von Reaktor-Druckbehälterstahl (RDB) führt zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des RDBs, die durch nanostrukturelle Veränderungen hervorgerufen werden. Zwei Langzeit-Bestrahlungseffekte werden in der vorliegenden Arbeit untersucht: Flusseffekte (FE) und der Late-Blooming-Effekt (LBE). Hierbei wurden Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) und Atomsonden-Tomographie (APT) zur Nanostruktur-Analyse verwendet. Die Untersuchungen zum FE zeigen, dass Cluster, die sich unter Hochfluss-Bestrahlung bilden, kleiner sind und tendenziell eine höhere Anzahldichte haben als unter Niedrigfluss-Bestrahlungen und gleicher Fluenz. Dies lässt sich mit einem Modell, welches bestrahlungsbeschleunigte Diffusion mit deterministischem Wachstum kombiniert, erklären. Die SANS-Ergebnisse zum LBE zeigen, dass das Auftreten dieses Effekts von den Bestrahlungsbedingungen abhängt. Die APT-Untersuchungen deuten darauf hin, dass Cu-freie Cluster ursächlich für das Auftreten eines LBEs sind. Ein mechanistisches Zwei-Pfad-Modell erläutert dieses Resultat.

The exposure of reactor pressure vessel (RPV) steels to neutron irradiation gives rise to a degradation of the mechanical properties caused by nanostructural changes. Two long-term irradiation effects are investigated in this thesis: Flux effects (FE) and the late-blooming effect. Small-angle neutron scattering (SANS) and atom-probe tomography (APT) have been applied as characterization method. The investigations on FE show that clusters forming upon high-flux irradiation are smaller and tend to have a higher number density compared to low-flux irradiations at a given neutron fluence. The findings can be explained by a model combining irradiation-enhanced diffusion with deterministic growth. The SANS investigations on the LBE show that the existence of such an effect depends on the irradiation conditions. The APT results indicate that Cu-free clusters are responsible for the observation of LBE. A two-path mechanistic model of cluster formation rationalizes these findings.