Detaljerad information för diarienr 2009-3333
		Besl. instans: NT Ämnesområde: Materialvetenskap Beslutsdat: 2009-10-29 Namn: Andrén, Hans-Olof Titel: Professor Kön: Man Univ./Institution: Chalmers tekniska högskola - Institutionen för teknisk fysik Projekttitel: Mekansimer för nedbrytning av kärntekniska material Project title: Mechanisms for degradation of nuclear materials Värdhögskola: Chalmers tekniska högskola SCB-klassificering: Konstruktionsmaterial, Materialfysik med ytfysik Beviljat(SEK): Bidragsform/Finansieringskälla   2009 2010 2011 2012   Rambidrag/ Vetenskapsrådet, övrig forskning   3000000 3000000 4000000 4000000 Beskrivning: Mekanismer för kärntekniska materials nedbrytning En kärnreaktor av den typ som används i Sverige idag (lättvattenreaktor av "generation II") är byggd av ett antal speciella material. Dessa är utsatta för vatten eller vattenånga under högt tryck och höga temperaturer (upp emot 350ºC), och måste ha en mycket hög tillförlitlighet mot sprickbildning, formförändring (kryp), oxidation och väteupptag. För de material som används i härden tillkommer effekterna av en kraftig strålningsmiljö. De kärnreaktorer som byggs eller konstrueras idag ("generation III") använder i stort sett samma material, även om driftsvillkoren är något strängare. För nästa generation reaktorer, som ännu är på forskningsstadiet ("generation IV") kommer en mängd olika material att behövas, olika i de skilda typerna av reaktorer som föreslagits. De material som här föreslås studeras (austenitiska stål, nickelbaslegeringar och zirkoniumlegeringar) är alla aktuella i befintliga och generation-III-reaktorer, och flera typer av generation-IV-reaktorer. Ett slags nedbrytning av material är korrosionsangrepp i materialets korngränser, intergranulär spänningskorrosion. Denna har drabbat nickelbaslegeringar i ånggeneratorer (vilket lett till mycket kostsamma byten av hela ånggeneratorer, t ex i Ringhals) och är fortfarande aktuell t ex hos styrstavar tillverkade av austenitiskt rostfritt stål (316L). Man har funnit att skadan förvärras av strålningen, s.k. IASCC, strålningsassisterad intergranulär spänningskorrosion. För att förstå orsakerna till angreppet måste korngränsernas mikrokemi undersökas, också efter bestrålning. Zirkoniumlegeringar används som kapslingsmaterial för kärnbränslet. Vid oxidation av dessa legeringar bildas vätgas, och man har funnit att en del av vätet absorberas i metallen. Blir vätehalten för hög riskeras utskiljning av spröda hydridpartiklar i materialet, och då måste bränslestavarna tas ur reaktorn i förtid med försämrad bränsleekonomi som följd. Besynnerligt är, att en mycket liten tillsats av nickel (0,05%) fördubblar väteupptaget. För att förstå mekanismerna bakom väteupptag krävs att vätets väg från vatten till metall kan kartläggas, något som är mycket svårt då nästan inga metoder för mikroanalys är känsliga för väte. Mekanismen för oxidation av zirkoniumlegeringar är trots mycket forskning fortfarande inte förstådda. Syrejoner antas diffundera från oxidytan till metallen genom oxidens korngränser. Elektroner måste då vandra motsatt väg genom oxiden som har en låg elektrisk ledningsförmåga. Det är inte känt vilken av dessa processer som är hastighetsbestämmande. Vidare har det visat sig att storleken hos de intermetalliska partiklar som finns i legeringen spelar en avgörande roll för oxidationshastigheten, men deras roll är oklar (bidrar till oxidskiktets ledningsförmåga? påverkar oxidationsfrontens utseende? fungerar som katalysator för vätgasbildning?). Mikroskopi och mikroanalys med hög rumsupplösning krävs för att komma vidare med förståelsen. Nickelbaslegeringar används också i härden, t ex för spridare i bränsleknippena. I positioner där vattenflödet är högt uppstår ibland lokaliserad korrosion; denna beror av ett antal parametrar bl a legeringens sammansättning vilken tros påverka oxidens struktur och sammansättning. Troligtvis bildas flera olika oxidskikt med varierande grad av vidhäftning. Högupplösande mikroskopi krävs för att kartlägga förekomsten av hålrum mellan oxidskikten. Tre genombrott inom mikroskopi och mikroanalys bildar basen för denna ansökan: o Provpreparering med fokuserad jonstråle: det är nu möjligt att med hög precision skära ut folie- och spetsformade preparat från exakta positioner i ett material o Mikroanalys på atomär nivå med atomsondsteknik (vårt nya LEAP-instrument); o Mikroskopi och mikroanalys med extremt hög upplösning i transmissions-elektronmikroskop (vårt nya Titan-instrument). Vidare avser vi att utveckla metoder att studera bestrålat material, eftersom strålmiljön ofta påverkar skademekanismerna på ett avgörande sätt. Programmet utnyttjar den kompetens vi byggt upp genom åren inom strålskador, oxidation av zirkoniumlegeringar, intergranulär spänningskorrossion samt mikroskopi och mikroanalys, där vi har en unik position inom de nordiska länderna. Programmet bidrar också till att säkra att den svenska kompetensen inom kärntekniska material och atomsondsanalys bibehålls under kommande generationsskifte.