使用电子背散射衍射在核能源材料研究欧洲杯足球竞彩

当今世界面临的最重要的挑战之一是对能源日益增长的需求。几个国家的目标是尽量减少对化石燃料的依赖,由于地缘政治的不稳定和固有的问题污染和减少可用性,以及成本上升的风险与更复杂的提取技术。

如今,一系列的能源,如核能、太阳能、生物燃料、水电、风力正在考虑。Baldev统治,2008年m . Vijayalakshmi公关Vasudeva饶和k . b . s . Rao从印度的英迪拉·甘地原子能研究中心发表的一篇优秀文章在材料研究主题名为“挑战可持续核能。欧洲杯足球竞彩“他们解释新兴技术在核工业和材料的挑战,必须克服这些技术能源生产的可行的现实。

作者描绘五长期目标进行核能更有吸引力的能源来源:

1. 提高热效率转移到高温反应堆
2. 多种工业应用的高温反应堆(即使用热量用于商业目的,例如,海水淡化或加热建筑物)
3. 更好的燃料(例如,钍)和冷却剂在光谱快速反应堆
4. 增强的安全性和最低核废料通过原位焚烧使用的系统
5. 商业上可行的融合技术

作者观察到,增加全球合作实现这些目标和预期下半年商业聚变能源生产的21^圣世纪。然而,实现这些目标的一个重要举措在于克服材料由这些复杂的技术挑战。

高温力学性能、抗辐射、加工性、冷却液的兼容性,和燃料兼容性是关心的公共区域。通常,核心组件材料经验更极端的条件相比,核外的材料。欧洲杯足球竞彩

本文探讨了材料拉杰等人的论文中提到的挑战和强调的一些欧洲杯足球竞彩地区自动EBSD或取向成像显微镜(OIM™)可以发挥关键作用在解决材料问题与下一代核电相关。它还提供了一个简短的回顾研究的核材料在科学文献中被报道。欧洲杯足球竞彩

目前的技术

核材料研究的目的为现有反应堆技术主要集中在获得更欧洲杯足球竞彩高的“燃烧”(能源生产单位数量的燃料)。表1根据统治et al。论文说明了一些主要组件,当前的材料使用,所涉及的主要挑战。欧洲杯足球竞彩

表1。欧洲杯足球竞彩热的材料和材料问题和快速谱核反应堆几个关键部件

反应堆类型	组件	欧洲杯足球竞彩	欧洲杯足球竞彩材料的挑战
热	燃料包壳	zirconium-based合金	中子经济
热	压力容器、管道	碳素结构钢	成本和腐蚀
热	蒸汽涡轮机和发电机	低合金钢、12% Cr钢	成本、腐蚀、高温和压力
快	穿着和hexcon	冷316不锈钢,不锈钢合金D9 (15% Cr, 15% Ni-Ti稳定),铁素体钢	空白肿胀、辐照蠕变、辐照脆化,抗拉强度、延性和抗蠕变强度,钠兼容性,燃料和裂变产物
快	结构材料欧洲杯足球竞彩	316不锈钢或316 L不锈钢(N)	抗拉强度、蠕变低循环疲劳、蠕变疲劳交互、可焊性、加工性
快	蒸汽发生器	修改9 cr-10mo铁素体钢	兼容性、钠蒸汽耐腐蚀、担忧和穿

在选择材料的热反应堆,考虑的关欧洲杯足球竞彩键是选择较低的原材料为中子吸收。锆满足这种需求。很多研究工作已着手进行生产范围广泛的zirconium-based合金的化学特性优化增强腐蚀和辐照行为和微不足道的氢脆的倾向由于热机的处理。

新材料与欧洲杯足球竞彩氢化相关需要克服挑战,辐照增长,和脆化,从而达到更高的燃耗。

快反应堆(或快中子反应堆)维持使用快速中子裂变链式反应。快反应堆可以开发生成比他们用裂变材料(者)或烧燃料产生能量和/或长半衰期废物转换成少麻烦的同位素(炉头)。辐照蠕变和空白肿胀是两个快反应堆的关键材料的挑战。欧洲杯足球竞彩

密度的空间变化和减少这些因素引起的几个工程问题。为了获得更高的燃耗,这些材料被推到他们的边界。欧洲杯足球竞彩例如,铁素体钢往往把脆弱的辐射。正在进行的一项研究来克服这个问题通过晶界工程对(GBE)。

一些短期增强快反应堆的热效率都伴随着上升的冷却剂出口温度823 K到1123 K左右。因此,有必要开发防辐射的材料具有良好的抗高温蠕变性能。欧洲杯足球竞彩

铁素体钢与分散的二氧化钛纳米颗粒和氧化钇(ODS钢)是一个潜在的覆盖材欧洲杯猜球平台料。然而,这类钢问题包括变形纹理、加工性和力学性能的各向异性。

新材料欧洲杯足球竞彩

为了获得更高的燃耗,先进的防辐射的材料正在开发包括Zr-Nb第四纪和三元合金。欧洲杯足球竞彩下面的语句在拉吉等人所说的新材料引入核领域的困难:“欧洲杯足球竞彩化学之间复杂的相互作用,微观结构,核外的行为,和反应堆性能需要详细评估和验证许多zirconium-based合金在接受了核工业的发展”。这确实适用于任何新材料,因为候选人材料必须验证,以确保它满足具有挑战性的操作条件存在于核反应堆。

研究氧化物弥散强化钢(ODS)陈,曾经,Ukai,艾伦(2007)是一个很好的例子。研究人员使用各种描述工具如OIM™和能量色散谱(EDS)分析这些材料的腐蚀行为暴露在超临界水,特别是晶界的作用。欧洲杯足球竞彩特殊ODS钢的蠕变特性使其候选人材料为复合应用程序快速反应堆。欧洲杯足球竞彩

通过结合OIM™和EDS等分析技术,提供了一个完整的微观结构表征晶体,以及化学方面的材料可以收集。这些信息很重要,为了了解晶体之间的复杂的相互作用”和化学方面的微观结构。作为一个例子,图1展示了同时OIM™/ EDS结果收集到的铝和铜氧化物之间的接口。

图1所示。混合元素映射(左),相图(中心),地图和方向(右)覆盖灰度映射基于单个EBSD模式的质量在每个点扫描。地图是由同时收集EBSD和EDS数据。

改进的材料模型

为了克服核工业的材料问题,材料的精确建模的行为是很重要的。它通常是复杂的,如果不是不可能,繁殖具有挑战性的操作条件出现在最新的核反应堆在实验室设置。

预测材料的行为需要准确的材料模型进而需要一个基本的了解组织和性能之间的关系。通过引入OIM™是一个描述晶体取向的实用工具,现在可以提高各种材料模型连接微观结构与性质包括定位信息更精确的模拟的微观结构演化和更准确的预测变化的条件下的材料特性。欧洲杯足球竞彩

文献提供了一个很好的例子。例如,吴、锅和Stubbins(2007)展示了如何irradiation-induced硬化对316 l不锈钢的影响可以从OIM™数据建模使用获得的信息。他们聘请OIM™描述当地的错位(塑性应变的指标),晶体学,滑移系活动,和孪生这信息,反过来,用于提高有限元模型(FEM)的结果。图2表示一些示例EBSD和有限元结果从这个研究。

图2。OIM™定向地图(左)和有限元模拟应力轮廓(右)为316 l不锈钢样品切口。(改编自吴、锅和Stubbins, 2007)

建模的另一个例子是在安全性研究报告由Medevielle Hugon,和Dugne(1999)系统上的U,锆、和O(称为真皮系统)。真皮是很重要的,因为它包括所涉及的重要组件的融合与核燃料(UO管(锆合金)₂在核事故)。EBSD一起使用了波长色散光谱(WDS)明确识别的复杂性阶段出现在样品通过融合真皮的元素在不同的氧气浓度。化学(通过改进算法)和晶体(通过EBSD)特征产生的氧化物热力学计算可以预测高温真皮的行为。

对晶界工程(GBE)

晶界工程使用热机的处理来改变微观结构来支持特定类型的晶界对他人为了改善晶界敏感材料属性。例如,一些种类的晶界可能耐腐蚀,而其他人可能更脆弱。增加耐蚀边界的分数在腐蚀敏感边界的成本是一个制造材料的方法来提高其性能。

例如,Alexandreanu Capell,对(2001)表明,GBE可提高合金的耐蚀性600蒸汽发生器管材料。此外,他们已经表明,增强的性能可以通过鼓励网站存在重合点阵(CSL)边界。CSL边界存在原子之间共享微晶晶格连续减少晶界,并认为是抗腐蚀相比,随机边界。

这些有益的类型的界限纳入材料通过一系列热机的治疗。欧洲杯足球竞彩如图3所示,增加了CSL边界分数通过这些治疗导致减少的比例界限了。棕褐色,曾经et al。(2006年,2008年)表明,对类似的改善可以通过获得耐蚀性GBE因科镍铬不锈钢800 h和617年(候选人合金为第四代核能系统)。

图3。总破裂的相关部分边界应变15%的分数CSL边界以OIM™。(改编自数据Alexandreanu Capell和,2001)

对OIM™是一个很好的工具GBE的研究由于其潜力足够迅速地描述晶界的晶体结构,“促进概率分析推断在未来组件的性能和可靠性是可能的”(褐色,曾经,和艾伦,2008)。

纹理

OIM™个人点决定了晶体取向的微观结构,因此这是一个完美的工具,研究各向异性和纹理。纹理的统计分布定义为晶格取向组成颗粒的多晶材料。大多数材料单结晶的形式显示某欧洲杯足球竞彩种形式的各向异性(或方向)属性对晶体的取向。例如,六角晶体可能有不同的价值在屈服强度方向平行于基底杆方向或c-axis c-axis水晶对应于一个方向正常。

杨氏模量的锌c-axis方向(28.7 x10^-12年米²/ N)是大约三倍的方向垂直于c (8.4 x10^-12年米²/ N)(奈,1985)。通常,相信这样的定向变化组成晶体在多晶体平均在多晶体的大部分。然而,如果材料的纹理,通常也会有各向异性。

纹理的效果对延迟氢化裂解(DHC)吸氘Zr-Nb压力管(Lehockey et al ., 2007)是一个核这些概念的应用程序示例。本研究发现,高吸氘(D)发生在微观结构与基底的广泛分布两极(c-axes)方向垂直于纵向方向的压力管,如图4所示。据这项研究的作者,“D吸收和纹理之间的相关性来衡量OIM™可能会提供一个方法来优化处理/热处理生产过程DHC易感性的最小化。或者,它可能允许的方法筛选样本识别压力管道安装本公司的风险。”

图4。(0001)极的纹理数据显示Zr-Nb管(a)低氘氘吸收吸收和(b)高。(改编自Lehockey Brennenstuhl异教徒,克拉克和Perovic, 2007)

OIM的其他实例™纹理研究基于锆合金已经被一个和Ishimoto(2006)对锆合金包复各种热机的处理,重点是结构之间的联系和氢化物沉淀和霍尔特和赵(2004)的研究结构的演变在挤压zr - 2.5 - nb管。

燃料循环

核能的商业开发的关键是核燃料循环。需要一个封闭的燃料循环由于成本与核废物流。研究过程中关闭循环反应堆乏燃料的后处理和重用。然而,直到实现技术、安全存储库的乏燃料的燃料循环的一个重要组成部分。在此领域的一些研究正在进行中。两个例子是研究存储容器(Lehockey et al ., 2007)和燃料本身的溶解后应该与地下水接触(罗默et al ., 2003)。

废物容器

OIM™一直被应用在研究提高焊缝的完整性的铜废物容器被开发为长期贮存的疲惫不堪的核燃料。OIM™用于描述当地在焊缝的塑性应变分布,以及材料的影响区周围的焊接。

OIM™有能力衡量的变化方向与决议在亚微米尺度几十分之一度。这些地方的变化方向提供一个相对材料应变的迹象。地区与当地高取向的变化表明关系高度紧张的地区不牵强附会的区域定位的变化可以忽略不计。这些信息可以被使用,例如,观察局部加热的微观结构的影响,如焊接中创建的。OIM™被Lehockey et al .,(2007)检查焊缝开裂铜废物容器被开发为长期贮存核燃料——一些样本的结果显示在图5中。这项研究的作者称,“OIM™证明有用的推荐更均匀热处理的发展“为了避免焊缝开裂。异种金属焊接也使用OIM™创建能够解决的问题(纳尔逊,Lippold,米尔斯,2000)。

图5。应变大小的变化(如表示不同程度的地方错位)在铜废物容器焊缝在不同的位置。(改编自Lehockey Brennenstuhl异教徒,克拉克和Perovic, 2007)。

UO₂解散

使用EBSD结合电化学原子力显微镜(AFM),罗默,Plaschke, Beuchle,金(2003)发现,溶解的铀氧化物是强烈的各向异性。图6说明了颗粒的溶解率的(001)面几乎平行于表面(红色)比那些更快速接近(111)取向。这样的理解是重要的保证准确建模所需的解散是一个有效的安全评估的核废料库。

图6。扫描电子显微镜照相术的腐蚀氧化铀颗粒不同的溶解程度和相应的EBSD模式和方向示意图。(改编自罗默、Plaschke Beuchle,金,2003)。

铀氢化物

金属铀合金是候选人材料,可以用作燃料。欧洲杯足球竞彩铀氢化物可以作为准备材料生产活性铀粉。欧洲杯足球竞彩氢化铀可以由加热金属铀的温度范围250到300°C的氢。OIM™被用来确定纹理的影响氢化起始和增长(Bingert,汉拉罕、字段和迪克森,2004)。一些这项工作的结果如图7所示。

图7。在氢化物OIM™定向地图变形双胞胎α铀和体积纹理显示在灰色反极图形式的强度与关键的位置定位组件覆盖在定位地图。(改编自Bingert,汉拉罕,田野和迪克森,2003)。

长期的发展

以下所有长期发展需要不断地研究反应堆的结构材料可以在压力下,辐射和热条件出现在这些反应堆。欧洲杯足球竞彩相反,其他材料挑战特定于每个这些反应欧洲杯足球竞彩堆的发展必须解决。OIM™很肯定扮演一个角色在寻找解决这些问题的方法。

高温、多用途的核反应堆

高温反应器技术需要新材料的选择,例如,复合材料,先进的涂料,耐高温合金。欧洲杯足球竞彩”欧洲杯足球竞彩材料微观结构稳定等行为;机械性能如蠕变、疲劳、和韧性;和化学性质,如腐蚀和兼容性需要理解在更高的温度和辐照水平的新域名。”(Raj et al ., 2008)

创建了模型,将属性与微观结构对大多数这些材料在恶劣的工作条件。欧洲杯足球竞彩然而,这些模型的有效性在更极端的服务条件必须确认,需要的属性,以及微观结构数据在数据点在这些更严重的辐射和温度制度。包含OIM™数据提供了一个更全面的微观结构的解释,可以帮助提高这些模型。

快反应堆

这一发展领域的长期目标包括氮化物等替代燃料、碳化物或金属合金。虽然包层和结构材料与这些燃料系统与那些已经在使用,回收的废物,这些燃料可能欧洲杯足球竞彩需要先进材料因为后处理创建高度敌对的环境。拉马钱德兰(Raj, Vijalakshmi, 2009)。拉吉等人表示使用前面提到的一些技术实现快反应堆的要求。这包括晶界工程增加inter-granular耐腐蚀,额外的小元素来增强空虚膨胀行为,改善和增强模型预测潜力。

uranium-molybdenum系统金属合金燃料研究的一个例子。Medevielle、Hugon Dugne(1999)描述了凝固结构和最终观察树突,的帮助下EBSD测量。这些树突凝固过程中液相反应表示为如图8所示。有时,相位变换前的微观结构可以被识别的定位地图转换以后微观结构(Cayron, 2009)。

钍燃料循环

thorium-based燃料,相对高浓度的氟化物必须用于再加工。这导致需要广泛的研究材料抗腐蚀环境中富含氟化物。欧洲杯足球竞彩与复杂的材料来满足这个需求的发展,晶界工程是一个建立在某些系统和工具,提高耐蚀性也可能在thori欧洲杯足球竞彩um-based燃料发展中发挥作用。能够测量材料的化学组成及其空间分布使得EDS完美的工具进行复杂的研究材料的性能在fluoride-rich环境中,由于EBSD描述颗粒边界的能力,这是任欧洲杯足球竞彩何晶界工程工作的重要组成部分。

图8。扫描电子显微镜照相术钼的凝固结构(上)。相应的(001)极图(下图)。(改编自Medevielle Hugon Dugne, 1999)。

加速器驱动系统

窗户的材料隔离的反应堆加速器是最大的物质这些系统面临的挑战。窗口材料必须耐腐蚀、辐照、脆化的液态金属和氦,还应该有良好的热物理性质。OIM™可以通过微观结构优化提供信息来提高性能。

融合

更需要发展结构材料关于核技术。欧洲杯足球竞彩然而,plasma-facing材料是材料研究欧洲杯足球竞彩的主要区域融合。这些材料是暴欧洲杯足球竞彩露于高中子辐射,也受到强烈的机械、热、电磁加载。

钒合金、先进的铁素体钢,钨基耐火材料合金、复合陶瓷和金刚砂正在开发满足这些苛刻的要求。此外,材料的研究都集中在涂欧洲杯足球竞彩层技术消除氢脆,这是一个具体问题与钢钒合金。以前,材料的行为已被证明欧洲杯足球竞彩是高度敏感的曝光条件。因此,推断反应的材料在一个系统到另一个系统通常是不准确的。

这消除了需要对材料微观结构的完整描述更精确的预测能力。OIM™和EDS发挥至关重要的作用在理解的影响化学和晶体材料在材料方面的行为。例如,OIM™已经被用于分析疲劳和蠕变疲劳行为P91马氏体钢(Renaut,弗尔涅,Sauzay Barcelo, Pineau, 2009)。9% - -12% Cr马氏体钢被选为候选材料在未来的聚变反应堆结构组成。欧洲杯足球竞彩

图9。定向地图(左)的应用基微结构和平均意味着错位后每一块木板条不同循环载荷在823 k(右),Δ的地方ξ_f是规定的疲劳应变范围。(改编自弗尔涅,Sauzay,亚历山德拉,Barcelo, Pineau, 2009)。

结论

”核材料研究人员和欧洲杯足球竞彩技术人员积累了丰富经验研究现代材料的行为,如zirconium-based合金和特种钢,在过去的三十年。目前的趋势表明,这些材料将在不久的将来进行增量更改,增加燃料的燃耗和反应堆的欧洲杯足球竞彩生命周期。然而,持续研发等各种材料耐热合金、复合材料、陶瓷、low-activation钢,涂料和相欧洲杯足球竞彩关处理技术是必要的,以满足新兴的核能技术的要求”(Raj et al ., 2008)。OIM™可以有一个重要的角色在这些研发requirements-four公共区域有:

• 在颗粒边界的地区有一个作用,OIM™应当被视为描述工具箱的主要组成部分。腐蚀损伤和通常发生在晶界脆化。晶界工程可以发挥重要的作用在增强材料的性能在极端环境中主要相关核心内的应用程序。作为一个识别工具描述晶界分布的多晶材料,OIM™已经使晶界工程一个真正的机会定制材料的微观结构来优化其性能主要在减少开裂,腐蚀或inter-granular攻击表面受到积极的环欧洲杯足球竞彩境先天核应用程序。
• 几乎所有制造过程传授结构在某种程度上为材料。欧洲杯足球竞彩洞察结构演化特征和控制处理期间是一个主要的输入材料的精确的发展模式。欧洲杯足球竞彩准确模拟响应的材料是提高开发过程的关键是为了生产与微观结构特别定制的一部分来满足在职的要求的部分。由于OIM™提供统计相关的能力和空间特定的定位数据,这是一个完美的工具,为科学家们提供关键定位复杂的有限元素模型所需的数据。
• 除了纹理,组件开发通过变形过程挤压、轧制或锻造还包括一定程度的残余应变。有时,这是通过热处理得到缓解。然而,在其他时候材料在受力状态。此外,一个组件的材料也会紧张的操作条件。通常,压力不是均匀分布在整个组件,而是本地的微米尺度不同。OIM™提供了一种方法来描述这些当地应变与其潜在的变化来测量小方向的变化。这样的信息可以非常有用的优化热机的形成路径,也为理解诱导应力状态的服务。

• 集成系统OIM™和EDS可以一起使用,提供洞察晶体结构和化学成分的相互作用的新材料或系统材料开发。欧洲杯足球竞彩这种能力可以有利于描述不同阶段的空间分布在多相体系的微观结构或甚至在识别阶段。体相转换信息夹杂物或第二阶段可以提供关键洞察当地条件所经历的这些材料在服务与问候,辐照,压力或温度。欧洲杯足球竞彩这些信息是很重要的精确模型的行为,这些材料不良的服务环境中放置。欧洲杯足球竞彩

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