1.28.2.1.3.1 sottoprogetto RPV steel
Il sottoprogetto sugli acciai RPV ha lavorato per migliorare gli utensili sviluppati in PERFECT, quindi i moduli RPV-2 e tenacità.45
Per quanto riguarda il modulo di tenacità, l’obiettivo era quello di sviluppare i metodi PERFETTI per descrivere il comportamento di tenacità alla frattura di scissione negli acciai RPV e di elaborare un criterio di frattura intergranulare fragile adatto,46 cercando di comprendere fisicamente i parametri di taratura e identificando i casi di riferimento di taratura adatti. Per questi, le informazioni sia meccaniche che microstrutturali dovrebbero essere preferibilmente disponibili, o diventarlo nel corso del progetto. A questo proposito, è stato creato un collegamento con il progetto FP7 / LONGLIFE, in cui è stata effettuata un’accurata caratterizzazione meccanica e microstrutturale di diversi acciai RPV.47 È stato sviluppato un modulo avanzato di tenacità alla frattura (AFTM), che ha implementato completamente quattro modelli di frattura, con ambiti parzialmente diversi: (1) una microstruttura informato frattura fragile modello (MIBF) basato su CP, con possibili estensioni a includere frattura di stima al rappresentante del volume e del campione di scale, sulla base del lavoro fatto in PERFECT32,48 e l’utilizzo di un migliore modello CP (vedi sotto); (2) un Beremin-type49 avanzata di un approccio locale, il cui modello è applicabile a frattura di stima al campione di scala; (3) il Wallin-Saario-Törrönen (WST) modello,33,50 che fornisce un collegamento con i modelli di comportamento a frattura del rappresentante del volume e del campione di scale; (4) un modello ingegneristico di approccio locale Bordet51,52 modificato, che si occupa principalmente della trasferibilità dei dati sulla tenacità alla frattura dai campioni irradiati ai componenti in acciaio RPV in servizio. Tutti questi modelli sono stati calibrati su casi di riferimento appropriati.
Il miglioramento dei modelli di tenacità dipendeva in modo significativo dai progressi nel calcolo delle sollecitazioni e delle tensioni sotto carico, cioè del comportamento del flusso (curva di trazione macroscopica), negli acciai irradiati, combinando in sequenza plasticità cristallina e omogeneizzazione. Un importante passo avanti rispetto a PERFECT è stato lo sviluppo di leggi costitutive fisicamente fondate per i modelli CP per descrivere i regimi di deformazione a bassa e alta temperatura nei cristalli bcc, che erano completamente basati sull’input DD e includevano esplicitamente l’effetto dei difetti di radiazione.53,54 Un passo importante correlato che è stato preso nel progetto è stata l’elaborazione di un modo sistematico per estrarre informazioni da simulazioni MD di interazione dislocazione/difetto che potrebbero essere utilizzate direttamente per simulazioni DD.55-57 Ciò ha permesso nei progetti successivi di ottenere una stima corretta dell’indurimento, basata interamente su un calcolo multi-scala. Nel frattempo, una serie di simulazioni MD ha affrontato lo studio dell’interazione di dislocazioni con diverse classi di difetti complessi, ad esempio cluster Cu e Cu-Ni contenenti posti vacanti (la cui esistenza è stata suggerita dagli esami PAS di leghe modello irradiate). Si è riscontrato che la presenza di posti vacanti riduce leggermente la resistenza di questi cluster come ostacoli alle dislocazioni dei bordi,58 ma aumentano significativamente lo stress necessario per le dislocazioni delle viti per passare attraverso i cluster di soluto, a causa della formazione di giri elicoidali dopo l’assorbimento dei posti vacanti dalla linea di dislocazione.59 Allo stesso modo,l’interazione di dislocazioni con anelli di dislocazione prismatica creati per irradiazione e decorati da atomi C, 60 o atomi Cu,Mn e Ni, 61 è stata studiata da MD. Lo studio ha rivelato che la decorazione del ciclo aumenta significativamente la forza di questi difetti come ostacoli al movimento di dislocazione, ostacolando il loro assorbimento nella linea di dislocazione.
Le simulazioni MD del tipo appena descritto sono diventate possibili grazie al fatto che l’uso sempre crescente di DFT nell’ambito del progetto62,63 ha fornito dati per adattare i potenziali interatomici per leghe di crescente complessità, fino al sistema quaternario Fe-Cu-Ni-Mn64–66, utilizzando metodologie avanzate.64,67 DFT è stato anche alla base dello sviluppo di modelli AKMC sempre più raffinati, che hanno permesso lo studio dell’evoluzione (a breve termine) sotto irradiazione di leghe complesse come Fe-Cu-Mn-Ni-Si-P.68,69
L’uso combinato di calcoli DFT, simulazioni MD e studi AKMC, insieme all’analisi dell’esame sperimentale di leghe modello irradiate e acciai RPV da REVE e PERFECT, corroborato dai nuovi risultati di ricottura di irradiazione ionica e post-irradiazione prodotti nell’ambito del progetto,70-72 ha fatto emergere un nuovo quadro riguardante la formazione di cluster di soluti e l’origine dell’indurimento da radiazioni e dell’infragilimento degli acciai RPV. Vale a dire, è diventato sempre più chiaro che la maggior parte dei soluti di interesse in questi acciai sono trascinati dalla migrazione dei difetti di punto (posti vacanti e auto-interstiziali), il primo esempio è Cu,che forma anche complessi mobili con posti vacanti, 73 che porta alla segregazione dei soluti sui cluster di difetti di punto. Ciò è stato successivamente confermato da studi approfonditi.74,75 Questo processo è ulteriormente favorito dal fatto che esiste un’affinità tra soluti e cluster di difetti puntiformi (piccole cavità e anelli di dislocazione prismatica), che è stata evidenziata nel progetto utilizzando potenziali interatomici,76-78 così come esperimenti,70-72 ed è stata successivamente confermata come una tendenza generale da simulazioni DFT su larga scala su misura.79,80 Quindi i cluster a difetto di punto catalizzano la formazione di cluster di soluti che possono (ma non devono) corrispondere a fasi termodinamicamente stabili. Inoltre, la distinzione convenzionale tra danno della matrice (cluster di difetti puntiformi) e precipitati (cluster di soluti) diventa sfocata. Il progetto ha anche dedicato uno sforzo, sfruttando le conoscenze DFT e le potenzialità interatomiche ereditate da PERFECT, per comprendere l’effetto del carbonio in soluzione, il cui ruolo è diventato sempre più chiaro in termini di creazione di complessi carbon-vacancy che intrappolano anelli prismatici monodimensionali migratori.81 Allo stesso tempo,la specificità del Cu come specie precipitante non è stata trascurata e studi approfonditi sono stati dedicati alla stabilità dei precipitati Cu,82 che è aumentato dai posti vacanti, 83 e la simulazione delle precipitazioni Cu.84
Questa immagine ha innescato il tentativo di introdurre progressivamente i meccanismi che erano stati identificati a livello atomico (trascinamento e accumulo di soluti in cluster point-defect) in modelli di evoluzione della microstruttura basati su OKMC o RT: un processo che è continuato nei progetti successivi ed è ancora in corso (vedi progetto H2020/SOTERIA sotto). Di conseguenza, i modelli OKMC per Fe-C85, 86 e Fe-Cu-C87 prima,e successivamente per Fe-C-MnNi in un’approssimazione della lega grigia,88, 89 cioè, incluso l’effetto dei soluti attraverso i parametri piuttosto che esplicitamente, sono stati sviluppati. Questi modelli hanno fornito per la prima volta una spiegazione ragionevolmente soddisfacente per le osservazioni provenienti dalla PIE dell’esperimento REVE.22-26 Tuttavia, a causa dell’intensità computazionale delle simulazioni OKMC, il tipo di modelli da incatenare nel modulo integrato per la previsione dell’aumento della resistenza allo snervamento negli acciai RPV potrebbe essere basato solo su equazioni di velocità, come era stato fatto nei moduli RPV-13 e RPV-228. È stato quindi necessario progredire anche lungo la linea RT, lavorando sul codice Crescendo cluster dynamics, 70, 87, 90 che mostrava una stabilità numerica notevolmente migliorata rispetto al codice precedentemente utilizzato in RPV-1 e RPV-2. La principale limitazione dell’approccio CD è che l’introduzione di meccanismi come l’intrappolamento di anelli migratori unidimensionali da parte di complessi di posti vacanti di carbonio, o il trascinamento di soluti da difetti puntiformi, non è così semplice come in OKMC, mentre la complessità chimica rimane limitata a un soluto (Cu in questo caso), vedi anche, ad esempio, Ref. 91.