Non-destructive material investigation in nuclear technology

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Kleinwinkel-und Ultrakleinwinkel-Neutronenstreuung(KWS und UKWS), um die Struktur von porösen SiC-faserverstärkten SiC-Keramik-Verbundwerkstoffen (SiC/SiC) zu untersuchen, die ein wichtiger Bestandteil von Fusionsreaktoren sind.<br />Beide Techniken sind sehr leistungsfähig um zerstörungsfrei die Mikro und Nano-Strukturen verschiedener Materialien zu untersuchen.<br />SiC/SiC Faserverbundwerkstoffe werden als Materialien für die erste Wand und das Blanket eines Fusionsreaktors wegen ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, niedrigen Dichte und Strahlungsstabilität in Erwägung gezogen. Die Porosität innerhalb der Faserverbundwerkstoffe ist bei den derzeit verfügbaren Herstellungsprozessen unvermeidbar, sie reduziert aber die Lebensdauer und Leistung des Verbundwerkstoffes unter extreme Umgebungsbedingungen massgeblich. Daher ist die Charakterisierung der Porenstruktur von Faserverbundwerkstoen ein zentrales Thema um ihre Eigenschaften zu verstehen. Die durch hohe Temperaturen induzierten Porenstrukturänderungen eines neu entwickelten Keramik-Verbundwerkstoffes wurden mittels Neutronenstreuung untersucht.<br />In dieser Arbeit wurden die Porengrössenverteilungen in den SiC/SiC und C/C Verbundstoffen mit kalter Neutronentomographie und Röntgen- Mikro-Computertomographie bestimmt. Der Zweck der Studie ist es, die verschiedenen bildgebenden Verfahren zu beschreiben und auch die Effizienz der bildgebenden Verfahren für die Untersuchung der Mikrostruktur von keramischen Verbundwerkstoffen zu überprüfen.<br />Tomographische Bilder geben aufgrund der verschiedenen Kontrastmechanismen Auskunft über die Innen und Aussenstruktur eines Gegenstands. Tomographie mit Neutronen und Röntgenstrahlen sind einander ergänzende zerstörungsfreie bildgebende Verfahren, die verwendet werden, um Information über die dreidimensionale Struktur eines Gegenstands im Mikrometerbereich zu erhalten.<br />Materialien mit niedrigem Aktivierungslevel sind notwendig für die Entwicklung von Fusionsreaktorbestandteilen im Bezug auf ihre Umwelt- und Sicherheitsaspekte. SiC basierte Zusammensetzungen sind als Materialien mit niedrigem Aktivierungslevel bekannt. Jedoch zeigen diese Verbundwerkstoffe Verunreinigungen aufgrund des Fertigungsverfahrens.<br />Das Aktivierungsniveau von Verbundwerkstoen kann durch höhere Konzentrationen an Verunreinigungen vergrössert werden.<br />Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) wurde verwendet, um die Konzentration von Verunreinigungen in den SiC basierten Verbundstoff en zu bestimmen. Sechzehn Konzentrationen Verunreinigungen in verschiedenen SiC basierten Materialien wurden mittels NAA untersucht.<br />

In this thesis, Small- and Ultra-Small Angle Neutron Scattering (SANS and USANS) measurements have been performed to study the structure of porous SiC- ber reinforced SiC ceramic matrix composite (SiCf/SiC) materials which are important constituent materials of fusion reactors.<br />SANS and USANS techniques are very powerful non-destructive testing tools in the investigations of micro- and nano- structures of various materials.<br />SiCf/SiC composites are being considered as candidate materials for first wall and blanket structural materials for fusion reactors because of their high temperature strength, low density and radiation stability.<br />Porosity within a composite is unavoidable with currently available manufacturing processes, and reduces signifi cantly the life time and performance of the composites under harsh environments. Therefore, the characterization of the pore structure of the composites is a crucial issue to understand their properties. From neutron scattering data, the high temperature induced pore structure changes of newly developed ceramic matrix composites have been investigated.<br />In this work, pore size distributions in SiCf/SiC and C/C composites were determined using cold neutron tomography and X-ray micro-computed tomography. The purpose of the thesis is to describe the different imaging methods and also to resolve the most effective imaging method for the investigations of the micro-structure of ceramic matrix composites. Tomographic images provide information on the inner and outer structure of an object due to different contrast mechanisms. Neutron and X-ray tomography are two complementary non-destructive imaging techniques that can be used to obtain information about the three dimensional structure of an object at the micro-meter scale.<br />Low activation materials are necessary for the development of fusion reactor components with respect to their environmental and safety aspects. SiC-based composites are known as low activation materials.<br />However, these composites have impurity elements due to their manufacturing process. The activation level of composites can be increased by the impurity concentrations. Neutron Activation Analysis (NAA) has been utilized to establish the concentrations of the impurity elements in the SiC-based composites. Sixteen impurity element concentrations in various SiC-based materials were determined by means of NAA.<br />