Irradiation programme HFR phase IIb - SPICE. Impact testing on up to 16.3 dpa irradiated RAFM steels. Final report for task TW2-TTMS 001b-D05

Bestrahlungsprogramm HFR Phase IIb – SPICE: Kerbschlagbiegeuntersuchungen an bis 16.3 dpa bestrahlten RAFM Stählen
Die Untersuchung des bestrahlungsinduzierten Versprödungsverhaltens von niedrigaktivierbaren ferritisch-martensitischen (RAFM) Stählen bildet das Ziel der vorliegenden Arbeit. Die Neutronenbestrahlung bei verschiedenen Bestrahlungstemperaturen (250-450 °C) bis zu einer Schädigung von 16,3 dpa (nominell) wurde im Hoch Fluss Reaktor („High Flux Reactor“) Petten im Rahmen des HFR Phase IIb (SPICE) Bestrahlungsprogramms durchgeführt. Die Kerbschlageigenschaften wurden an miniaturisierten Charpy-V Proben (des KLST Typs) mittels der instrumentierten Kerbschlagbiegeversuche ermittelt.
... mehr
Der Hauptschwerpunkt des Bestrahlungsprogramms liegt in der Untersuchung des Einflusses der Neutronenbestrahlung auf die mechanischen Eigenschaften von einem europäischen RAFM Referenzstahl für die Erste Wand des Demonstrationsreaktors (DEMO), EUROFER97, bei zwei verschiedenen Wärmebehandlungen. Die mechanischen Eigenschaften von EUROFER97 wurden mit denen von internationalen Referenzmaterialien (F82H-mod, OPTIFER-Ia, GA3X und MANET-I), welche im SPICE Projekt untersucht wurden, verglichen. Die Bestrahlungsresistenz von bis 16,3 dpa bei 250-450 °C bestrahltem EUROFER97 ist vergleichbar mit der von besten Referenz-Strukturmaterialien. Es wurde für alle untersuchten RAFM Stähle eine erhebliche Tieftemperaturversprödung (Tirr ≤ 300 °C) beobachtet. Die Wärmebehandlung von EUROFER97 bei höherer Austenisierungstemperatur führt zur wesentlichen Verbesserung des Versprödungsverhaltens bei niedrigen Bestrahlungstemperaturen (Tirr ≤ 350 °C). Bei Tirr ≥ 350 °C liegen die Sprödbruchübergangstemperaturen (DBTT) von untersuchten niedrigaktivierbaren Stählen unterhalb von -20 °C und damit weit unterhalb der Anwendungstemperatur. Die Analyse des Verfestigungs- vs. Versprödungs- Verhaltens deutet auf die verfestigungsdominierte Versprödung unterhalb von Tirr ≤ 350 °C mit 0,17≤ C100 ≤ 0,53 °C/MPa.
Oxiddispersionsgehärteter ODS EUROFER Stahl mit 0,5 wt.% Y2O3 wurde bei ausgewählten Temperaturen bestrahlt. Bereits im unbestrahlten Zustand zeigte ODS EUROFER keine be- friedigende Kerbschlagbiegeeigenschaften, gekennzeichnet durch eine niedrige USE = 2,54 J und durch eine große DBTT = 135 °C. Die Zunahme von USE für Bestrahlungstemperaturen unterhalb von Tirr ≤ 350°C deutet außerdem auf ein nicht optimiertes Herstellungsverfahren. Bei Tirr = 250 °C ist die bestrahlungsinduzierte Verschiebung der Übergangstemperatur vergleichbar mit der vom EUROFER97. Bei höheren Bestrahlungstemperaturen zeigt hingegen ODS EUROFER größere Versprödung im Vergleich zum Referenzmetall.
Die Rolle des Heliums in der Materialversprödung wurde an EUROFER97 basierten Stählen untersucht, welche mit verschiedenem Bor Gehalt (0,008-0,112 wt.%) dotiert wurden. Bor dotierte Proben zeigen zunehmende Versprödung und Abnahme der Zähigkeit mit der Zunahme des generierten Helium Gehalts. Bis zu einem Helium Gehalt von 84 appm ist bei Tirr = 250 °C Helium induzierte Versprödung auf Helium induzierte Verfestigung zurückzuführen. Höhere Helium Konzentrationen führten zu weiteren Versprödungsmechanismen zusätzlich zur Helium induzierten Verfestigung.

The objective of this work is to study the effects of neutron irradiation on the embrittlement behavior of different reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) steels. The irradiation was carried out in the Petten High Flux Reactor (HFR) in the framework of the HFR Phase IIb (SPICE) irradiation project at a nominal dose of 16.3 dpa and at different irradiation temperatures (250-450 °C). The impact properties are investigated by instrumented Charpy-V tests with subsize specimens (KLST-type).
The emphasis is put on the investigation of irradiation induced embrittlement and hardening of the European RAFM reference steel for the first wall of a DEMO fusion reactor, EURO- FER97 under different heat treatment conditions. ... mehrThe mechanical properties of EUROFER97 are compared with the results on international reference steels (F82H-mod, OPTIFER-Ia, GA3X and MANET-I) included in the SPICE project. EUROFER97 irradiated up to 16.3 dpa between 250 and 450 °C showed irradiation resistance that is comparable to those of best RAFM steels. Large low temperature (Tirr ≤ 300°C) embrittlement is seen for all investigated RAFM steels. Heat treatment of EUROFER97 at higher austenitizing temperature led to the reduction of embrittlement at low temperatures (Tirr ≤ 350 °C). At Tirr≥ 350°C the DBTTs of the steels remain below -20°C and, hence, are well below the application temperature. Analysis of hardening vs. embrittlement behaviour indicated hardening dominated embrittlement at Tirr ≤ 350°C with 0.17≤ C100 ≤ 0.53 °C/MPa.
Oxygen dispersion hardened ODS EUROFER with 0.5 wt.% Y2O3 has been irradiated at selected irradiation temperatures. ODS EUROFER showed not satisfying impact properties already in the unirradiated condition characterized by low USE =2.54 J and large DBTT = 135°C. Furthermore, the increase of USE for irradiation temperatures below Tirr ≤ 350°C indicates not optimized fabrication process. At Tirr =250°C neutron irradiation induced shift in DBTT is comparable to that of the base EUROFER97 steel. At higher irradiation temperatures, however, hipped ODS EUROFER shows larger embrittlement compared to base metal.
He embrittlement is investigated in EUROFER97 based steels, that are doped with different contents of natural boron and the separated 10B-isotope (0.008-0.112 wt.%). Boron doped steels show progressive embrittlement and reduction of toughness with increasing helium amount. At Tirr =250 °C helium induced embrittlement is of hardening nature for low helium contents up to 84 appm. Larger helium concentrations lead to non-hardening embrittlement mechanisms beyond that of hardening embrittlement.