Effect of ceramic breeder environment on low-cycle fatigue of EUROFER97

EUROFER97 ist ein vielversprechender ferritisch-martensitischer Stahl mit reduzierter Aktivierung für Kernfusionsreaktoren, insbesondere als Strukturmaterial für den Bau des Brutblankets. Im fortschrittlichen Helium-Cooled Pebble-Bed Design Konzept von DEMO wird EUROFER97 einer rauen Umgebung ausgesetzt sein, einschließlich hoher Temperaturen, schneller Heiz- und Kühlzyklen, hoher Neutronenflüsse hoher Energie und der Einwirkung von Lithium-Keramik-Kügelchen und einem Spülgas Atmosphäre. Diese Umgebung kann erhebliche Auswirkungen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Materials haben, insbesondere auf seine Ermüdungseigenschaften, die aufgrund des zyklischen Betriebs des Reaktors und der daraus resultierenden wechselnden thermomechanischen Belastungen von vorrangigem Interesse sind. ... mehrDaraus ergeben sich zwei Hauptfragen: i) Wie entwickelt sich die Mikrostruktur von EUROFER97 unter diesen Bedingungen und ii) inwieweit werden die Ermüdungseigenschaften des Materials dadurch beeinflusst.
Derzeit ist es zumindest aufgrund des Mangels an leistungsstarken Quellen für hochenergetische Neutronen nicht möglich, die Betriebsbedingungen von EUROFER97 in einem Blanket genau nachzubilden. Es wurde jedoch ein Experiment vorgeschlagen, um eine vorläufige Antwort auf die oben genannten Forschungsfragen zu geben. In diesem Experiment wurden EUROFER97-Proben einer Vorkorrosion in der Keramikbrüterumgebung ausgesetzt, nämlich dem Kontakt mit Lithium-Keramik-Kügelchen in einer Spülgasatmosphäre bei 550°C für verschiedene Zeiträume. Anschließend wurde die Mikrostruktur auf der Oberfläche und im Querschnitt analysiert, um den Einfluss der Expositionsdauer zu bewerten. Die Experimente in dieser Studie umfassen die Durchführung von Kurzzeitermüdungstests um festzustellen, wie sich die Vorkorrosion auf die Ermüdungslebensdauer von EUROFER97 auswirkt.
Zum ersten Mal wurde eine umfassende Studie zur Entwicklung der Mikrostruktur und der Ermüdungseigenschaften von EUROFER97 durchgeführt, nachdem der Stahl 8 bis 128 Tage lang der Keramikbrüterumgebung ausgesetzt war. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Exposition zu einer komplexen dreischichtigen Oberflächenkorrosion von EUROFER97 führt, mit Abdrücken von Lithium-Keramik-Kügelchen als Hauptmerkmal. Die Dicke und Phasenzusammensetzung der Schichten variiert bis etwa 16–32 Tage und ändert sich anschließend nicht mehr wesentlich. Die Hauptursache der Korrosion ist das Vorhandensein von Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff und Wasserdampf, im Spülgas. Das Hauptaugenmerk dieser Studie lag auf der Untersuchung der Auswirkung der Vorkorrosion auf die Kurzzeitermüdungseigenschaften von EUROFER97. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Verringerung der Anzahl der Zyklen bis zum Versagen, bis zu 60 % bzw. 35 % bei Klein- bzw. Standardproben. Eine sorgfältige Analyse der Struktur vor, während und nach den Tests weist stark darauf hin, dass die raue, korrodierte, mit Abdrücken der Lithium-Keramik-Kügelchen dekorierte Oberfläche der EUROFER97-Proben Risse enthält, aus denen sich Ermüdungsrisse entwickeln. Der maximal zulässige Gesamtdehnungsbereich der EUROFER-Komponenten für einen zweijährigen Betrieb im Blanket wurde auf 0,25 % geschätzt. Eine weiterführende Auswertung ergab, dass die Komponenten die geforderte Zyklenzahl, auch ohne Berücksichtigung der Auswirkungen starker Neutronenbestrahlung und Kriechen, nicht erreichen können. Es werden daher Möglichkeiten zur Eindämmung sowie Lösungen des Problems diskutiert.

EUROFER97 is a promising reduced-activation ferritic-martensitic steel for components of nuclear fusion reactors, specifically as a structural material for the breeder blanket. In the advanced helium-cooled pebble bed blanket concept of DEMO, EUROFER97 will be subjected to a harsh environment, including high temperatures, rapid heating and cooling cycles, high neutron fluxes of high energy, and exposure to lithium-ceramics pebbles in a purge gas atmosphere. This environment can have a significant impact on the material's microstructure and mechanical properties, particularly on its fatigue properties, which are of primary interest due to the cyclic operation of the reactor and the resulting alternating thermomechanical loads. ... mehrAs a result, two main questions arise: i) how does the microstructure of EUROFER97 evolve under these conditions, and ii) to what extent are the material's fatigue properties affected.
Currently, it is not possible to accurately replicate the operating conditions of EUROFER97 in a blanket at least due to the lack of powerful sources of high-energy neutrons. However, an experiment was proposed to provide a preliminary answer to the research questions above. In this experiment, EUROFER97 samples were exposed to pre-corrosion in the ceramic breeder environment, namely contact with lithium-ceramics pebbles in a purge gas atmosphere at 550°C for various durations. The microstructure was then analysed on the surface and in the cross-section to evaluate the effect of exposure duration. The key experiments in this study involve conducting low cycle fatigue tests to determine how the pre-corrosion affects the fatigue life of EUROFER97.
For the first time, a comprehensive study of the evolution of the microstructure and fatigue properties of EUROFER97 was carried out after its exposure to the ceramic breeder environment for 8–128 days. Results demonstrate that this exposure leads to the formation of a complex three-layered surface corrosion of EUROFER97, with imprints of lithium-ceramics pebbles as the main feature. The thickness and phase composition of the layers vary up to about 16–32 days of corrosion and then do not change significantly any longer. The primary cause of corrosion is the presence of impurities, specifically oxygen and water vapor, in the purge gas. The main focus of this study was to investigate the effect of pre-corrosion on the low cycle fatigue properties of EUROFER97. Findings show a significant decrease in the number of cycles to failure, up to 60% and 35% for sub-sized and standard samples, respectively. Careful analysis of the structure before, during, and after testing strongly suggests that a rough, corroded surface on EUROFER97 samples, with imprints of lithium-ceramics pebbles, contains imprints and cracks from which fatigue cracks develop. The maximum allowable total strain range of EUROFER97 components for 2 years of operation in blanket were estimated as 0.25%. The study found that the components cannot meet the required number of cycles, even without taking into account the effects of strong neutron irradiation and creep. The ways of mitigation of the problem and possible solutions are discussed