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Dr. Frank Bergner
Head Materials Characterization
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Materialcharakterisierung


Skizze: Beanspruchung von Reaktorwerkstoffen (deutsch)Werkstoffe können durch betriebsbedingte Einflüsse (Temperatur, Spannung, Medien, Bestrahlung) geschädigt werden - sie altern. Für sicherheitsrelevante Komponenten muss der Grad der Schädigung abgeschätzt und überwacht werden. Ein markantes Phänomen dieser Art ist die Versprödung des Reaktordruckbehälters unter der Einwirkung schneller, bei der Kernspaltung entstehender Neutronen. Der Mechanismus dieses Effekts beruht auf der bestrahlungsinduzierten Bildung von Ausscheidungen und Defektclustern, deren Abmessungen im Nanometerbereich liegen. Wichtige Details sind noch nicht restlos geklärt.

Kernreaktoren der vierten Generation, Transmutationsanlagen und Fusionsreaktoren sind eine Herausforderung für die Werkstoffentwicklung. Die Simulation der durch Neutronen verursachten Werkstoffschädigung durch die Anwendung von Ionenstrahlen trägt dazu bei, Entwicklungszyklen zu verkürzen und Radioaktivität zu vermeiden. Die Arbeitsgruppe kooperiert mit dem Fraunhofer-Institut IFAM in Dresden bei der Entwicklung neuer oxiddispersionsverfestigter (ODS-) Stähle und untersucht die durch Ionenbestrahlung von Cr-Stählen und ODS-Stählen hervorgerufene Materialschädigung.


Forschungsprojekte

2015-2018 Safe long term operation of light water reactors based on improved understanding of radiation effects in nuclear structural materials (SOTERIA, EU-FP7 collaborative project)
Grant Agreement No. 661913
2013-2017 Materials’ Innovations for a Safe and Sustainable nuclear in Europe (MatISSE, EU-FP7 collaborative project)
Grant Agreement No. 604862
2011-2014 Materials Testing and Rules (MATTER, EU-FP7 collaborative project)
Grant Agreement No. 269706
2010-2013 Langzeitspezifische Alterungseffekte in RDB-Stahl (GRS/BMWi)
Förderkennzeichen: GRS 150 1393
2010-2014 Treatment of long term irradiation embrittlement effects in RPV safety assessment (LONGLIFE, EU-FP7 collaborative project)
Grant Agreement No. 249360
2009-2013 Prediction of the effects of radiation for reactor pressure vessel and in-core materials using multi-scale modelling - 60 years foreseen plant lifetime (PERFORM 60, EU-FP7 collaborative project)
Grant Agreement No. 232612
2008-2013 Generation IV and transmutation materials (GETMAT, EU-FP7 collaborative project)
Grant Agreement No. 212175

Experimentelle Methoden

Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS)

KleinwinkelstreuungNanodisperse chemische, strukturelle oder magnetische Inhomogenitäten streuen Neutronen- (n) oder Röntgenstrahlen (X) im Bereich kleiner Winkel. Aus dem Verlauf der Streuintensität über dem Streuwinkel können Informationen über Art, Größe, Anzahl und Zusammensetzung der Inhomogenitäten gewonnen werden. SANS-Experimente werden am Helmholtz-Zentrum Berlin, an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II in München, am Institut Laue-Langevin in Grenoble, am Laboratoire Léon Brillouin in Saclay und am KFKI Budapest durchgeführt.

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

TEM micrograph of an ODS-Fe9%Cr sampleTEM ermöglicht die direkte Abbildung von Strahlendefekten mit nm-Auflösung. Typische Vertreter sind Versetzungsringe,  die im Beugungskontrast unter Einbeziehung mehrerer Beugungsvektoren nachgewiesen werden. Untersuchungen des gleichen bestrahlten Materials mit SANS und TEM zeigen, dass die zugänglichen Informationen in hohem Maße komplementär sind.

Positronenannihilationsspektroskopie (PAS)

Mit Hilfe von Positronen als selbstsuchende, defektselektive Sonde können spezielle Defekte, wie zum Beispiel Einzelleerstellen, Leerstellenagglomerate und Versetzungen mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden. Die Durchführung von PAS-Experimenten erfolgt in Kooperation am Institut für Strahlenphysik.

Registrierende Nanohärte in Kombination mit Atomkraftmikroskopie (AFM)

AFM-Aufnahme des Eindrucks einer Berkovich Spitze in StahlWährend Neutronen tief in den Werkstoff eindringen und das gesamte Volumen schädigen, bleiben Ionen in einer µm-tiefen Oberflächenschicht stecken. Die geschädigten Volumina sind für die Schädigungscharakterisierung mit SANS und die bruchmechanische Werkstoffprüfung zu gering, es werden alternative Untersuchungsverfahren benötigt. Hier bieten sich neben TEM speziell die tiefenaufgelöste PAS und die registrierende Nanohärte an, letztere in Kombination mit der Atomkraftmikroskopie, welche die sub-µm großen Details der Härteeindrücke abzubilden vermag.


Abgeschlossene Diplom- und Doktorarbeiten:

  • C. Heintze (2012), Einfluss der Bestrahlung mit energiereichen Teilchen auf die Härte von Fe-Cr-Legierungen, Dissertation, TU Dresden, Fakultät für Maschinenwesen.
  • P. Franke (2009), Herstellung und Charakterisierung von dispersionsverfestigten Fe-Cr-Modelllegierungen für kerntechnische Werkstoffentwicklungen, Diplomarbeit, TU BA Freiberg.
  • C. Recknagel (2008), Registrierende Nanohärtemessung und begleitende Atomkraftmikroskopie an unbestrahlten und ionenbestrahlten Stählen, Diplomarbeit, TU Dresden, Fakultät für Maschinenwesen.
  • C. Heintze (2006), Anforderungsprofil und Eigenschaftsspektrum ausgewählter Stähle für Kernenergieanlagen, Diplomarbeit, TU Dresden, Fakultät für Maschinenwesen.
  • A. Ulbricht (2006), Untersuchungen an neutronenbestrahlten Reaktordruckbehälterstählen mit Neutronen-Kleinwinkelstreuung, Dissertation, TU BA Freiberg, Wissenschaftlich-Technische Berichte, Forschungszentrum Rossendorf, FZR-453.

Ausgewählte Veröffentlichungen:

  • I. Hilger, M. Tegel, M.J. Gorley, P.S. Grant, T. Weißgärber, B. Kieback (2014), The structural changes of Y2O3 in ferritic ODS alloys during milling, J. Nucl. Mater. 447, 242-247.
  • C. Heintze, F. Bergner, M. Hernández-Mayoral (2011), Ion-irradiation-induced damage in Fe-Cr alloys characterized by nanoindentation, J. Nucl. Mater. 417, 980-983.
  • F. Bergner, A. Ulbricht, C. Heintze (2009), Estimation of the solubility limit of Cr in Fe at 300°C from small angle neutron scattering in neutron-irradiated Fe-Cr alloys, Scripta Materialia 61, 1060-1063.
  • F. Bergner, A. Ulbricht, H.-W. Viehrig (2009), Acceleration of irradiation hardening of low-copper reactor pressure vessel steel observed by means of SANS and tensile testing, Phil. Mag. Lett. 89, 795-805.
  • C. Heintze, C. Recknagel, F. Bergner, M. Hernandez-Mayoral, A. Kolitsch (2009), Ion-irradiation-induced damage of steels characterized by means of nanoindentation, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 267, 1505-1508.
  • F. Bergner, A. Ulbricht, H. Hein, M. Kammel (2008), Flux dependence of cluster formation in neutron-irradiated weld material, J. Phys.: Condens. Matter 20, 104262 (6pp).
  • A. Ulbricht, F. Bergner, J. Böhmert, M. Valo, M.-H. Mathon, A. Heinemann (2007), SANS response of VVER440-type weld material after neutron irradiation, post-irradiation annealing and reirradiation, Philosophical Magazine 87, 1855-1870.

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