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Versprödung durch Neutronenstrahlung

1950
Nuclear reactor pressure vessel inspection for neutron radiation embrittlement.

Neutron embrittlement is the loss of ductility and toughness in materials subjected to neutron irradiation. In nuclear reactors, high-energy neutrons displace atoms from their lattice sites, creating defects like vacancies and interstitials. These defects accumulate and form clusters that impede dislocation motion, thereby increasing the material’s hardness and strength but severely reducing its ability to deform plastically before fracturing.

Eine kritische Folge der Neutronenversprödung ist die Verschiebung der Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT) nach oben. Die DBTT ist die Temperatur, unterhalb derer sich ein Material spröde verhält und oberhalb derer es duktil ist. Bei Reaktordruckbehältern, die typischerweise aus ferritischem Stahl bestehen, bedeutet diese Verschiebung, dass der Behälter bei seinen normalen Betriebstemperaturen spröde werden kann, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt, insbesondere während der thermischen Zyklen beim Herunterfahren oder Anfahren. Das Ausmaß der DBTT-Verschiebung hängt von der Neutronenfluenz (Gesamtzahl der Neutronen pro Flächeneinheit), dem Neutronenenergiespektrum, der Bestrahlungstemperatur und der Materialzusammensetzung ab (z. B. können Kupfer- und Nickelgehalte die Versprödung beschleunigen).

Diese Entdeckung war von tiefgreifender Bedeutung, da sie einen neuen Zersetzungsmechanismus einführte, der nicht auf chemischer Korrosion oder mechanischer Ermüdung, sondern auf der Wechselwirkung subatomarer Teilchen beruhte. Das Verständnis und die Quantifizierung dieses Effekts wurden zu einem Eckpfeiler der Nukleartechnik und -sicherheit. Um ihn zu beherrschen, führen Kernkraftwerke Überwachungsprogramme durch, bei denen Proben des RDB-Materials in den Reaktor eingebracht, regelmäßig entnommen und getestet werden, um den Fortgang der Versprödung zu verfolgen und sicherzustellen, dass der Behälter während seiner gesamten Lebensdauer innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen bleibt.

UNESCO Nomenclature: 3308
– Materials science

Typ

Physikalischer Prozess

Unterbrechung

Grundlegendes

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick
  • Entwicklung des ersten Kernreaktors (Chicago Pile-1)
  • eugene wigner’s prediction of radiation damage in solids (wigner effect)
  • Fortschritte in der Elektronenmikroskopie zur Visualisierung von Kristallgitterdefekten
  • Entwicklung der Bruchmechanik von AA Griffith

Anwendungen

  • Lebensdauerbewertung und Verlängerungsprogramme für Kernreaktordruckbehälter (RPVs)
  • Entwicklung strahlungsresistenter Legierungen für Kernspaltungs- und Fusionsreaktoren der nächsten Generation
  • Materialüberwachungsprogramme in Kernkraftwerken zur Überwachung des Abbaus
  • Prädiktive Modellierung der Materialleistung in Umgebungen mit hoher Strahlung
  • Entwurf von Abschirm- und Strukturkomponenten für Raumfahrzeuge und Satelliten

Patente:

NA

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