Numerical Prediction of Fracture Toughness of a Reactor Pressure Vessel Steel Based on Experiments Using Sub-Sized Specimens

Ein wesentlicher Faktor für den erfolgreichen Übergang zu einer kohlenstoffneutralen Wirtschaft ist der sichere Langzeitbetrieb von Kernreaktoren. Der Reaktordruckbehälter ist ein sicherheitskritischer Teil der meisten derzeit aktiven Reaktoren der zweiten Generation, da er einer kontinuierlichen Neutronen-bestrahlung ausgesetzt ist. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Entwicklung des bruchme-chanischen Verhaltens der Strukturstähle unter diesen Bedingungen zu überwachen. Da die Verfügbar-keit von bestrahltem Material stark begrenzt ist, ist es notwendig, Prüfverfahren an kleinen Proben für die bruchmechanische Charakterisierung im Übergangsbereich zu entwickeln. ... mehrIn den vergangenen Jahrzehnten hat sich die miniaturisierte Kompaktzugprobe (MCT) als vielversprechende Geometrie für zukünftige Überwachungsprogramme erwiesen. Allerdings muss die Verwendbarkeit dieser Geometrie noch weiter unter Beweis gestellt werden, da während der Prüfung ein Verlust der Dehnungsbehinde-rung beobachtet wird. Des Weiteren sind zusätzliche Anstrengungen erforderlich, um die benötigte Materialmenge für die bruchmechanische Charakterisierung zu reduzieren.
Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung eines bestehenden Ansatzes zur Ermittlung der Parameter eines Kohäsivzonenmodells, das in Verbindung mit Finite-Elemente-Modellen der MCT-Probe ver-wendet werden kann. Mit dem kalibrierten Kohäsivzonenmodell werden Simulationen durchgeführt, um das bruchmechanische Verhalten von ferritischen Stählen im Übergangsbereich vorherzusagen. Statistisch verteilte numerische Bruchzähigkeitswerte werden durch eine zufällige räumliche Verteilung von Kohäsivzonenelementen mit entweder spröden oder duktilen Eigenschaften in der kohäsiven Zone bestimmt. Dabei wird eine numerische Referenztemperatur auf der Grundlage der Norm ASTM E1921 vorhergesagt.
Der experimentell-numerische Ansatz zur Kalibrierung der Modellparameter umfasst die Prüfung von gekerbten Zugproben zur Ermittlung der Kohäsivspannung in Abhängigkeit der Spannungstriaxialität und die Anpassung der Kohäsionsenergie mittels MCT-Versuchen im Übergangsbereich und bei Raum-temperatur. Darüber hinaus werden die MCT-Versuche im Übergangsbereich zur experimentellen Bestimmung der Referenztemperatur genutzt. Umfangreiche fraktografische Analysen werden in Ver-bindung mit numerischen Simulationen durchgeführt, um Unterschiede im mechanischen und bruchme-chanischen Verhalten der MCT-Geometrie und der CT-Geometrien in Standardgröße zu identifizieren. Die Simulationen werden außerdem dazu verwendet, den Verlust des triaxialen Spannungszustands zu bewerten, der bei MCT-Proben mit zunehmender Belastung beobachtet wird.
Mit dem entwickelten Ansatz wird die Referenztemperatur des untersuchten Reaktordruckbehälterstahls genau vorhergesagt. Es wird gezeigt, dass dafür weniger Material erforderlich ist als für eine experi-mentelle Bestimmung nach der Norm ASTM E1921. Der Ansatz stellt somit einen Schritt zur Reduzie-rung der Kosten zukünftiger Überwachungsprogramme dar. Die vollständige Beschreibung des statisti-schen bruchmechanischen Verhaltens von ferritischen Stählen im Übergangsbereich ist das finale Ziel des probabilistischen Ansatzes. Hierfür ist die Einbeziehung von Defektpopulationen (schwächste Glieder) in der kohäsiven Zone erforderlich.

An essential factor for the successful transition towards a carbon-neutral economy is the safe long-term operation of nuclear reactors. The reactor pressure vessel is a safety-critical part of most currently active Generation II reactors due to it being subject to continuous neutron irradiation. Therefore, it is crucial to monitor the evolution of the fracture-mechanical behavior of the structural steel under these conditions. Since the availability of irradiated material is severely limited, it is necessary to develop small specimen test techniques for fracture-mechanical characterization within the DBT region. ... mehrIn the past decades, the miniaturized compact tension specimen (MCT) has been shown to be a promising geometry for future surveillance programs. However, further demonstration of the viability of the geometry is required due to the effect of loss of constraint observed during testing. Additional efforts are necessary to further reduce the amount of material required for fracture-mechanical characterization.
The objective of this work is to further develop an existing approach for identifying the parameters of a cohesive zone model to be used in conjunction with finite-element-models of the MCT specimen. Simulations with the calibrated cohesive zone model are performed to predict the fracture-mechanical behavior of ferritic steels within the DBT region. Statistically distributed numerical fracture toughness values are obtained by means of a random spatial distribution of cohesive elements with either brittle or ductile properties throughout the cohesive zone. Thereby, a numerical reference temperature is deter-mined based on the ASTM E1921 standard.
The experimental-numerical approach for calibrating the model parameters includes the testing of notched tensile specimens to identify the cohesive strength depending on the stress triaxiality. Fitting of the cohesive energy is performed by means of MCT tests within the DBT region and at room tempera-ture. In addition, the MCT tests within the transition region are used to determine the reference tem-perature experimentally. Extensive fractographic analyses are performed in conjunction with numerical simulations to identify differences in the mechanical and fracture-mechanical behavior of the MCT geometry and standard-sized CT geometries. The simulations are further used to assess the loss of constraint observed in MCT specimens with increasing loading.
With the developed approach, the reference temperature of the investigated reactor pressure vessel steel is accurately predicted. It is shown that the method uses less material than is required for an experi-mental determination following the ASTM E1921 standard. Thus, the approach represents a step to-wards reducing the cost of future surveillance programs. The complete description of the statistical fracture-mechanical behavior of ferritic steels within the DBT region is the final goal of the probabilis-tic approach. For this, the inclusion of defect populations (weakest links) in the cohesive zone is re-quired.