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Winzige Hydride enthüllen Spannungen, die Kernreaktoren reißen lassen können
Wenn Wasserstoff in Zirkoniumlegierungen winzige Hydride bildet, können in diesen spröden Einlagerungen hohe innere Spannungen entstehen. Eine neue dreidimensionale Röntgenmessung zeigt erstmals direkt zusammendrückende Belastungen von mehr als einem Gigapascal und starke Spannungsspitzen an den Grenzflächen. Solche lokalen Felder könnten erklären, warum Hydride die Rissbildung in Bauteilen von Kernreaktoren begünstigen.
London (Kanada). Zirkoniumlegierungen werden in Kernreaktoren eingesetzt, weil sie hohe mechanische Belastungen aushalten und sich für Bauteile im Reaktorkern eignen. Mit der Zeit kann jedoch Wasserstoff in das Metall gelangen und dort Hydride bilden, die spröder als die umgebende Zirkoniummatrix sind und deshalb als ein wichtiger Faktor bei der Wasserstoffversprödung gelten.
Wie stark solche winzigen Hydride ihr direktes Umfeld belasten, ließ sich bisher nur schwer experimentell erfassen, denn die Strukturen sind oft nur wenige hundert Nanometer bis einige Mikrometer groß. Vor allem eine räumliche Messung der inneren Spannungen fehlte, obwohl gerade diese lokalen Kräfte für die Entstehung und Ausbreitung von Rissen relevant sein können.
Forscher der Western University um Hamidreza Abdolvand haben die Spannungen nun mit einer scannenden dreidimensionalen Synchrotron-Röntgenbeugung vermessen. Das Experiment fand an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble statt und erfasste Hydride sowie die umgebenden Zirkoniumkörner mit einer räumlichen Auflösung von rund 200 Nanometern.
Aus den Messdaten rekonstruierten die Wissenschaftler die dreidimensionale Kornstruktur und die lokalen Spannungszustände und übertrugen die vermessene Mikrostruktur anschließend in ein Kristallplastizitätsmodell. So konnten sie prüfen, ob die beim Ausscheiden der Hydride entstehenden Formänderungen die gemessenen Spannungsspitzen erklären.
„Das ist bedeutsam, weil diese Spannungen beeinflussen können, wie Risse im Material entstehen und wachsen. Ein dreidimensionales Bild dieser Spannungen vermittelt uns ein deutlich besseres Verständnis davon, was tatsächlich im Inneren von Reaktorbauteilen wie Brennstoffhüllrohren oder Druckrohren geschieht“, sagt Hamidreza Abdolvand.
Die Messungen zeigen im Inneren der Hydride starke zusammendrückende Spannungen, wobei die hydrostatische Komponente, also der in alle Raumrichtungen wirkende Anteil des Spannungszustands, lokal ein Gigapascal überschritt. Zugleich veränderten sich die einzelnen Spannungskomponenten innerhalb der kleinen Ausscheidungen deutlich.
Besonders ausgeprägt waren die Belastungen an den Grenzflächen zwischen Hydrid und Zirkonium. Dort konzentrierten sich sowohl Spannungen als auch Versetzungen, also Gitterfehler, an denen sich plastische Verformung im Kristall abspielen kann. Eine zusätzliche Kräftebilanz zeigte, dass die im umgebenden Zirkonium gemessenen Spannungen ausreichen, um die ermittelten Spannungen im Hydrid zu erklären, was die experimentellen Werte unabhängig von der direkten Messung im Hydrid stützt.
„Wenn es in einem Bauteil aus Zirkoniumlegierung einen kleinen Defekt gibt, können die damit verbundenen lokalen Spannungen dazu führen, dass sich Hydride um ihn herum bilden. Während sie entstehen, verändern sie den Zustand des Materials und können möglicherweise zur Rissbildung beitragen“, sagt Hamidreza Abdolvand.
Die Ergebnisse verbinden damit erstmals eine dreidimensionale Nanomessung der Hydridspannungen mit einer mechanischen Modellierung derselben Mikrostruktur. Das Modell führt die lokalisierten Spannungen auf die Formänderung zurück, die mit der Ausscheidung der Hydride einhergeht. Die Arbeit liefert damit einen experimentell gestützten Mechanismus, der in Modellen zur Rissentstehung und Materialalterung berücksichtigt werden kann.