Mikrostrukurelle Mechanismen der Strahlenversprödung

Gegenstand des Vorhabens im Rahmen der WTZ mit Russland ist die Versprödung des Reaktordruckbehälters infolge der Strahlenbelastung mit schnellen Neutronen im kernnahen Bereich.
Um den Einfluss von bestrahlungsinduzierten Gitterdefekten auf die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln, wurden analytische Berechnungen zum Einfluss von Hindernissen auf die Beweglichkeit von Versetzungen und damit auf die Ausbildung einer plastischen Zone an der Rissspitze durchgeführt. Es wird demonstriert, dass sich die an der Rissspitze entstehenden Versetzungen an dem Hindernis (bestrahlungsinduzierte Punktdefekte) aufstauen. In Abhängigkeit der Rissbelastung KI und der Entfernung des Hindernisses von der Rissspitze werden die Versetzungsdichte und das durch den Versetzungsstau verursachte Spannungsfeld berechnet.
Mit Hilfe von Experimenten zur Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS – small angle neutron scattering) an verschiedenen WWER-Stählen und Modelllegierungen wurden Größenverteilungen und die Volumenanteile der strahleninduzierten Defekte für verschiedene Bestrahlungszustände (Fluenzen, Bestrahlungstemperaturen) ermittelt. Es wurde gezeigt, dass sich die strahleninduzierte Werkstoffschädigung durch Wärmebehandlung weitgehend wieder ausheilen lässt. Nach der thermischen Ausheilung ist der Werkstoff bei erneuter Bestrahlung weniger anfällig für strahleninduzierte Defekte. Die Ergebnisse der SANS-Untersuchungen wurden mit der Änderung der mechanischen Eigenschaften (Härte, Streckgrenze und Sprödbruchübergangstemperatur) korreliert.
Mit der kinetischen Gitter-Monte-Carlo-Methode wurden numerische Sensitivitätsstudien zum Einfluss des Cu-Gehalts auf die Stabilität von Defekt-Clustern durchgeführt. Die Berechnungen zeigen, dass die Anwesenheit von Cu-Atomen zur Bildung von langlebigen Defekten führt. Dabei werden Leerstellen in Cu/Leerstellen-Cluster eingefangen. Leerstellen in reinem Eisen sind bei Bestrahlungstemperaturen von 270 °C dagegen nicht stabil, die Lebensdauer liegt zwischen 0.01 s und 1 s. Die kritische Cu-Konzentration, ab welcher stabile Defekte entstehen, beträgt ca. 0.1 Masseprozent.