Die Modellierung von Selbstheilungseigenschaften für Kernreaktoren
Strahlungsschäden zeigen sich in Form von verschwollenen Fehlstellen und Strahlungsverformungen, Deformationen von Reaktormaterialien, die Fehler verursachen können. Beweise legen nahe, dass sich Schwellungen mit einer vor Kurzem entwickelten neuen Materialklasse vermeiden lassen, welche die Selbstheilungseigenschaften verbessert. Die mathematischen Modellierungs- und Simulationsinstrumente, die zur Untersuchung der Phänomene und zur Entwicklung besserer Designs erforderlich sind, fehlen jedoch bislang. Diese Wissenslücke füllte das EU-finanzierte Projekt RADINTERFACES (Multiscale modelling and materials by design of interface-controlled radiation damage in crystalline materials). Forscher untersuchten die Phänomene beginnend bei der Elektronenstruktur, in der das Rückstoßatom (primary knocked-on atom, PKA) auf allen relevanten Ebenen eine Kaskade destruktiver Ereignisse auslösen kann. Die neuen Mehrschichtfolien kristalliner Multiphasen-Materialien zeigten die Eigenschaft, Schäden im Zusammenhang mit PKA zu reparieren. Forscher modellierten daher das Verhalten solcher Materialien auf allen Ebenen, welche Interaktionen zwischen Atomen (Mikroskala), die Ausbreitung von Schäden in Einzelkristallen und Multischichten von Materialien (Mesoskala) sowie die Hauptmasse (Makroskala) umfassen. Die Modelle ermöglichten Wissenschaftlern eine Prognose von Leistungsmerkmalen des Reaktorelements. Im Fokus der ergänzenden experimentellen Arbeit zum Materialverhalten stand die Erstellung von Dünnfilmproben unter Verwendung dreier bewährter Verfahren. Die Projektpartner entwickelten zwei neue Methoden zur Beschreibung von mikrostrukturellen Interaktionen und Defekten bei Materialien mit Mehrschichtschnittstellen. Sie definierten zudem Kräfte, welche die Interaktionen zwischen den atomaren Elementen von Interesse bedingen. Ferner wurden Richtlinien zur Beschreibung der Verschiebungsdynamik bei mesoskaligen multilamellaren Strukturen sowie Regeln, welche für die Interaktion von Schnittstellen und strahlungsinduzierte Defekte gelten, entwickelt. Schließlich stellten die Wissenschaftler künstlich Mehrschicht-Verbundwerkstoffe von Interesse her und beschrieben deren Eigenschaften. Im Rahmen von RADINTERFACES wurden die notwendigen Multiskalen-Modellierungsinstrumente entwickelt, um Reaktorkomponenten aus neuen kristallinen Multiphasenmaterialien mit extremen Selbstheilungseigenschaften zu entwerfen. Mehrere Schichten mit großen Grenzflächenbereichen werden dazu beitragen, durch PKA initiierte Schwellungen zu vermeiden und somit die Reaktorlebensdauer verlängern, die Betriebskosten senken und die Sicherheit erhöhen. Des Weiteren könnte die von dem Konsortium entwickelte Technologie zu völlig neuen Anwendungen im Bereich der Elektrochemie führen, die sich in erheblichem Maße auf die bestehende industrielle Technologie auswirken kann.
Schlüsselbegriffe
Nanowissenschaften, Kernenergie, Reaktor, Strahlung, Fehlstellen-Schwellung, Strahlungsverformung, Selbstheilung, RADINTERFACES, Rückstoßatom, Elektrochemie
