Investigation of iron ion irradiation on the properties of FeCr alloys for fusion energy applications

Abstract

FeCr binary alloys with chromium concentrations around 10 at% serve as model systems for ferritic/martensitic steels, which are among the primary candidates for structural materials in future nuclear fusion power plants. These materials must exhibit high resistance to intense neutron irradiation, specifically to the high fluence of around 14 MeV neutrons produced during power plant operation generated from the deuterium-tritium reaction. The damage induced in FeCr alloys by neutron irradiation can be experimentally simulated using iron ions of appropriate energy because the dominant damage arises from Primary Knock-on Atoms (PKA) in which the neutron energy is transferred. Understanding the radiation effects of energetic ions and neutrons on steel has considerable scientific interest and additionally important technological impact related to energy production by fusion. These two aspects are interrelated, as a basic understanding of the phenomena will promote the development of radiation-resistant materials, necessary for the implementation of the international plans for a fusion reactor in the next decades. The objective of this PhD thesis is to gain a deeper understanding of the fundamental physical mechanisms through which irradiation with 490 keV Fe+ ions influences the crystalline structure, the microstructure, and magnetic properties of FeCr alloys. In particular, the effect of irradiation temperature, irradiation dose, dose rate, ion energy, as well as the effect of the fraction of interfaces and ion implantation effects in nanocrystalline Fe-10at%Cr alloys are investigated in a systematic way.

Τα διμερή κράματα FeCr με συγκεντρώσεις χρωμίου περίπου 10 at% αποτελούν πρότυπα συστήματα των φεριτικών/μαρτενσιτικών ατσαλιών, τα οποία είναι υποψήφια δομικά υλικά για μελλοντικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας μέσω πυρηνικής σύντηξης. Αυτά τα υλικά πρέπει να παρουσιάζουν υψηλή αντοχή στην ακτινοβολία νετρονίων, ειδικά στην υψηλή ροή νετρονίων ενέργειας περίπου 14 MeV που θα παράγονται κατά τη λειτουργία του σταθμού παραγωγής ενέργειας μέσω αντιδράσεων δευτερίου-τριτίου. Οι βλάβες που προκαλούνται στα κράματα FeCr από την ακτινοβολία νετρονίων μπορούν να προσομοιωθούν πειραματικά χρησιμοποιώντας ιόντα σιδήρου κατάλληλης ενέργειας, επειδή η κυρίαρχη ζημιά προκύπτει από πρωτογενώς ανακρουόμενα άτομα (PKA) στα οποία μεταφέρεται η ενέργεια των νετρονίων. Η κατανόηση της επίδρασης της ακτινοβολίας των ενεργητικών ιόντων και νετρονίων στα ατσάλια έχει μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον και σημαντικό τεχνολογικό αντίκτυπο σχετικά με την παραγωγή ενέργειας μέσω σύντηξης. Αυτές οι δύο πτυχές είναι αλληλένδετες, καθώς η βασική κατανόηση των φαινομένων θα προωθήσει την ανάπτυξη υλικών ανθεκτικών στην ακτινοβολία, απαραίτητων για την εφαρμογή των διεθνών σχεδίων για έναν σταθμό παραγωγής ενέργειας μέσω σύντηξης τις επόμενες δεκαετίες. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η βαθύτερη κατανόηση των βασικών φυσικών μηχανισμών μέσω των οποίων η ακτινοβόληση με ιόντα Fe+ ενέργειας 490 keV επηρεάζει την κρυσταλλική δομή, τη μικροδομή και τις μαγνητικές ιδιότητες των κραμάτων FeCr. Συγκεκριμένα, διερευνάται συστηματικά η επίδραση της θερμοκρασίας ακτινοβόλησης, της δόσης ακτινοβόλησης, του ρυθμού δόσης, της ενέργειας ιόντων, καθώς και η επίδραση του κλάσματος των διεπιφανειών και της εμφύτευσης ιόντων σε νανοκρυσταλλικά κράματα Fe-10at%Cr.