Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5626

Abstract

Ferritic/martensitic steels are candidate structural materials for a DEMO fusion reactor and are investigated intensively within the frame of the European Long Term Fusion Technology Programme. This report summarizes general features of ferritic/martensitic steels and gives a broad overview on the available data of the 9-12% CrMoVNb steels MANET I and II. The data include informations on the physical metallurgy, the transformation and hardening/tempering behaviour as well as results on tensile, creep, creep.rupture, isothermal and thermaol fatigue, charpy impact and fracture toughness properties. Other topics are corrosion tests of helium or high pressure water coolants, compatibility with breeding and neutron multiplier materials, advanced welding techniques, and a short review on fabrication and technology of these steels. In the relevant temperature region from ambient temperatures to 450°C a widespread field of results on pre-, postirradiation and in-situ mechanical properties is available up to a few dpa and up to 500 appm helium.

Special emphasis has been put on the recent world-wide optimization of these steels. New 7-10% CrWVTa steels have been developed with significantly improved impact and fracture toughness properties. Initial results from unirradiated and neutron irradiated charpy specimens from various heats are favourable and showed a general improvement of the fracture toughness properties. These ferritic/martensitic steels also satisfy the criteria of reduced long-term activation. The potential for fusion applications is discussed together with some guidelines for required R&D.

Kenntnisstand zur Entwicklung ferritisch/martensitischer Stähle für die Fusion

Zusammenfassung

Ferritisch/martensitische Stähle sind aufgrund einer Reihe attraktiver Eigenschaften potentielle Kandidaten für die Erste Wand und Strukturkomponenten von Brutblankets in zukünftigen Fusionsanlagen. Sie werden im Rahmen des Europäischen Fusionstechnologieprogramms eingehend untersucht. Der vorliegende Bericht faßt die derzeit vorliegenden Ergebnisse an den für die Fusion entwickelten 9-12% CrMoVNb-Stählen MANET I und II zusammen. Die Daten umfassen Informationen zur physikalischen Metallkunde, dem Umwandlungs-, Härtungs- und Anlaßverhalten sowie zu den mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Kriech- und Zeitstandfestigkeit, isothermes und thermisches Ermüden sowie Kerbschlag- und Bruchzähigkeit. Weitere Daten betreffen das Korrosionsverhalten mit Druckwasser bzw. Helium als Kühlmittel, die Kompatibilität mit Brutstoffen und Materialien zur Neutronenmultiplikation sowie Informationen zum Schweißverhalten mit fortgeschrittenen Schweißmethoden. Ein kurzer Abriß über die Fabrikationstechnologie dieser Werkstoffgruppe wird ebenfalls gegeben. Schließlich werden umfangreiche Daten zum mechanischen Werkstoffverhalten nach und unter Bestrahlung mit Neutronen und Ionen bis zu 15 dpa und 500 appm Helium in dem für die Anwendung relevanten Temperaturbereich RT bis 450°C zusammengestellt.

Auf die Entwicklung niedrig-aktivierender Legierung auf der Basis von 7-11% CrWVTa wird ebenfalls eingegangen. Diese Legierungen können die Kriterien für niedrige Langzeitaktivierbarkeit nach hoher Bestrahlungsdosis unter der Voraussetzung erfüllen, daß unerwünschte Verunreinigungen unterhalb der maximal zulässigen Konzentration gehalten werden können. Dies stellt hohe Anforderungen an die Stahlherstellung. Die ersten vorläufigen Ergebnisse an diesen Legierungen zeigen bei ansonsten mit den konventionellen 9-12% Cr-Stählen vergleichbaren Eigenschaften deutlich verbesserte Kerbschlag- und Bruchzähigkeitsdaten. Erste Bestrahlungsergebnisse ergeben tendenziell eine geringere bestrahlungsinduzierte Härtung und dementsprechend eine weniger ausgeprägte Verschiebung der Sprödbruchübergangstemperatur an diesen Legierungen, so daß diese Entwicklungsrichtung insgesamt erfolgversprechend ist. Schließlich werden in diesem Bericht die notwendigen weiteren F&E-Arbeiten benannt, die notwendig sind, um noch offene Fragen zu klären.