Promotionsarbeiten

Ionenbestrahlung und Materialcharakterisierung neuartiger hochlegierter Legierungen für nukleare Anwendungen

Promotionsstudent

Anwesha Karmakar

Betreuer

Prof. Dr.-Ing. Thomas Weissgärber (TUD), Dr. Cornelia Kaden (HZDR)

Abteilung

Konstruktions­werkstoffe

Zeitraum

03/2026 - 02/2029

Projekt HELENA

Überblick

Um den hohen Anforderungen von Kernspaltungs- und Kernfusionsreaktoren der Generation IV gerecht zu werden, untersucht das vom BMFTR geförderte Projekt HELENA hochentropische Feuerfestlegierungen (RHEAs) mit kubisch-raumzentrierter (BCC) Gitterstruktur als Strukturwerkstoffe der nächsten Generation. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Dresden (TUD) und dem Fraunhofer IFAM Dresden wird ein System aus hochentropen, feuerfesten Legierungen (RHEA) auf Cr-Fe-Ti-V-W-Zr-Basis mithilfe von CALPHAD-Simulationen entworfen und mittels Pulvermetallurgie hergestellt. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Projekt, indem sie die Bestrahlungstoleranz und die langfristige Mikrostrukturstabilität der entwickelten Legierungen untersucht. Durch Ionenbestrahlung als beschleunigtes Modell für Neutronenschäden, kombiniert mit thermischen Alterungsuntersuchungen bis zu 700 °C, werden die Entwicklung strahlungsinduzierter Defekte, die Phasenstabilität und die bestrahlungsinduzierte Verfestigung bewertet und mit etablierten sowie neuen Kandidatenlegierungen verglichen. Die Ergebnisse werden wichtige Erkenntnisse über die Eignung von RHEA für zukünftige nukleare Anwendungen liefern.

Motivation

Die Kernenergie stellt einen äußerst kosteneffizienten und kohlenstoffarmen Bestandteil des globalen Energiemix dar. Um die langfristige Nachhaltigkeit, Sicherheit und Effizienz der Kernenergie zu maximieren, werden derzeit fortschrittliche Spaltreaktoren der Generation IV (Gen-IV) sowie Fusionskonzepte entwickelt. Diese Technologien stellen die Werkstoffe vor beispiellos raue Betriebsbedingungen, darunter hohe Temperaturen, stark korrosive Umgebungen und intensive Neutronenbestrahlung über lange Betriebsdauern hinweg.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, untersucht das Projekt kubisch-raumzentrierte (bcc) hochentropische Feuerfestlegierungen (RHEAs) als vielversprechende Klasse strahlungsbeständiger Legierungen. Das auf mehreren Hauptlegierungselementen zur Stabilisierung einfacher Festlösungsphasen basierende Designkonzept der Hochentropie-Legierungen (HEA) bietet einen vielversprechenden Weg zur Erreichung einer Kombination aus Hochtemperaturfestigkeit, Phasenstabilität und Strahlungstoleranz. Diese Eigenschaften machen RHEA für zukünftige Kernkraftwerkssysteme attraktiv.

In Zusammenarbeit mit der TUD und dem IFAM untersucht das Projekt Legierungssysteme, die auf dem Cr-Fe-Ti-V-W-Zr-Zusammensetzungsraum basieren, sich jedoch nicht darauf beschränken. Zur Steuerung des Legungsdesigns werden thermodynamische Simulationen auf Basis von CALPHAD eingesetzt. Ausgewählte Legungen werden vom IFAM synthetisiert und hinsichtlich ihrer Grundeigenschaften charakterisiert. Diese Aktivitäten bilden die Grundlage für diese Dissertation.

Unser Schwerpunkt

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Bewertung der Bestrahlungsbeständigkeit und der langfristigen mikrostrukturellen Stabilität. Um neutroneninduzierte Schäden effizient zu simulieren, wird die Ionenbestrahlung als beschleunigtes Ersatzverfahren eingesetzt. Im Gegensatz zur Neutronenbestrahlung, die Materialien hochradioaktiv macht und deren Analyse logistisch schwierig ist, ermöglichen Ionenstrahlen die Erzeugung beschleunigter, hochgradiger Versetzungsschäden in deutlich kürzerer Zeit, ohne die Proben zu aktivieren.

Zur Bewertung der Phasenstabilität werden thermische Alterungsexperimente bei hohen Temperaturen bis zu 700 °C durchgeführt. Die Degradation nach der Bestrahlung und nach der Alterung wird mit modernsten Analysewerkzeugen, einschließlich Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), charakterisiert. Nanoindentation wird eingesetzt, um Veränderungen der mechanischen Eigenschaften, insbesondere die strahleninduzierte Verfestigung, zu verfolgen.

Um das Potenzial der entwickelten RHEA-Legierungen zu bewerten, wird ihre Leistungsfähigkeit mit etablierten und neu aufkommenden Kandidatenlegierungen für Strukturwerkstoffe in Fusions- und Spaltanwendungen verglichen. Durch die Korrelation von Legierungszusammensetzung, Mikrostruktur, Bestrahlungsreaktion und mechanischen Eigenschaften zielt diese Arbeit darauf ab, wichtige Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Mikrostruktur und Eigenschaften zu ermitteln, die als Leitlinien für die Entwicklung fortschrittlicher strahlungsbeständiger Kernmaterialien dienen sollen.

Diese Forschung wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert, Fördernummer 02NUK100A.