Published June 1, 2023
| Version v1
Publication
VNbCrMo refractory high-entropy alloy for nuclear applications
Creators
- 1. University of Birmingham
- 2. Comisión Nacional de Energía Atómica
- 3. Imperial College London
- 4. Culham Centre for Fusion Energy
- 5. United Kingdom Atomic Energy Authority
Description
Refractory high-entropy alloys (RHEAs) with high melting points and low neutron absorption cross-section are sought for generation-IV fission and fusion reactors. A high throughput computational screening tool, Alloy Search and Predict (ASAP), was used to identify promising RHEA candidates from over 1 million four-element equimolar combinations. The selected VNbCrMo RHEA was further studied by CALPHAD to predict phase formation, which was compared to an experimentally produced ingot aged at 1200 °C. The VNbCrMo RHEA was found to constitute a majority bcc phase, with a 6% area fraction of C15-Laves formed at interdendritic regions, in contrast to the predictions of single-phase. The prediction of the yield strength by a model based upon edge dislocation mechanisms indicated 2.1 GPa at room temperature and 850 MPa at 1000 °C for the equimolar single bcc phase. The hardness of the alloy with C15-Laves was 748 HV (yield strength ∼2.4 GPa). Finally, the macroscopic neutron absorption cross-section was modelled for a wide range of energies. Displacements per atom per year and activation calculations, up to 1000 years after 2 years of continuous operation, in typical fusion and fission reactor scenarios were also performed using the inventory code FISPACT-II. This work gives new insight into the phase stability and performance of the VNbCrMo RHEA, which is compared with a similar design concept alloy, to assess the potential of novel RHEAs for use in advanced nuclear applications.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يتم البحث عن سبائك حرارية عالية الانتروبي (RHEAs) ذات نقاط انصهار عالية ومقطع عرضي منخفض امتصاص النيوترونات لمفاعلات الانشطار والاندماج من الجيل الرابع. تم استخدام أداة فحص حسابية عالية الإنتاجية، البحث عن السبائك والتنبؤ بها (ASAP)، لتحديد مرشحي RHEA الواعدين من أكثر من مليون تركيبة رباعية العناصر. تمت دراسة VNbCrMo RHEA المختارة من قبل CALPHAD للتنبؤ بتكوين الطور، والذي تمت مقارنته مع سبيكة منتجة تجريبيًا عند 1200 درجة مئوية. تم العثور على VNbCrMo RHEA لتشكيل مرحلة bcc الأغلبية، مع جزء مساحة 6 ٪ من C15 - Laves شكلت في مناطق interendritic، على النقيض من تنبؤات مرحلة واحدة. أشار التنبؤ بقوة الخضوع بواسطة نموذج يعتمد على آليات خلع الحافة إلى 2.1 جيجا باسكال عند درجة حرارة الغرفة و 850 ميجا باسكال عند 1000 درجة مئوية لمرحلة bcc الواحدة متساوية الأضلاع. كانت صلابة السبيكة مع C15 - Laves 748 HV (قوة الخضوع 2.4 جيجا باسكال). أخيرًا، تم نمذجة المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات العيانية لمجموعة واسعة من الطاقات. تم أيضًا إجراء عمليات الإزاحة لكل ذرة سنويًا وحسابات التنشيط، حتى 1000 عام بعد عامين من التشغيل المستمر، في سيناريوهات مفاعل الاندماج والانشطار النموذجية باستخدام رمز الجرد FISPACT - II. يعطي هذا العمل نظرة ثاقبة جديدة على استقرار المرحلة وأداء VNbCrMo RHEA، والذي يقارن مع سبيكة مفهوم تصميم مماثل، لتقييم إمكانات RHEAs الجديدة للاستخدام في التطبيقات النووية المتقدمة.Translated Description (French)
Les alliages réfractaires à haute entropie (RHEA) avec des points de fusion élevés et une faible section efficace d'absorption des neutrons sont recherchés pour les réacteurs de fission et de fusion de génération IV. Un outil de dépistage informatique à haut débit, Alloy Search and Predict (ASAP), a été utilisé pour identifier des candidats RHÉA prometteurs parmi plus d'un million de combinaisons équimolaires à quatre éléments. Le VNbCrMo RHÉA sélectionné a été étudié plus avant par CALPHAD pour prédire la formation de phase, qui a été comparée à un lingot produit expérimentalement vieilli à 1200 °C. Le RHÉA VNBCRMO s'est avéré constituer une phase bcc majoritaire, avec une fraction surfacique de 6% de C15-Laves formées dans les régions interdendritiques, contrairement aux prédictions de monophase. La prédiction de la limite d'élasticité par un modèle basé sur les mécanismes de dislocation des bords a indiqué 2,1 GPa à température ambiante et 850 MPa à 1000 °C pour la phase bcc simple équimolaire. La dureté de l'alliage avec C15-Laves était de 748 HV (limite d'élasticité ∼2,4 GPa). Enfin, la section efficace d'absorption des neutrons macroscopiques a été modélisée pour une large gamme d'énergies. Les déplacements par atome par an et les calculs d'activation, jusqu'à 1000 ans après 2 ans de fonctionnement continu, dans des scénarios typiques de réacteur à fusion et à fission ont également été effectués en utilisant le code d'inventaire FISPACT-II. Ce travail donne un nouvel aperçu de la stabilité de phase et des performances du VNbCrMo RHEA, qui est comparé à un alliage de concept de conception similaire, pour évaluer le potentiel de nouveaux RHEA pour une utilisation dans des applications nucléaires avancées.Translated Description (Spanish)
Se buscan aleaciones refractarias de alta entropía (RHEA) con altos puntos de fusión y baja sección transversal de absorción de neutrones para reactores de fisión y fusión de generación IV. Se utilizó una herramienta de detección computacional de alto rendimiento, Alloy Search and Predict (ASAP), para identificar candidatos prometedores de RHEA de más de 1 millón de combinaciones equimolares de cuatro elementos. El VNbCrMo RHEA seleccionado fue estudiado adicionalmente por CALPHAD para predecir la formación de fases, que se comparó con un lingote producido experimentalmente envejecido a 1200 °C. Se encontró que VNbCrMo RHEA constituía una fase bcc mayoritaria, con una fracción de área del 6% de hojas C15 formadas en regiones interdendríticas, en contraste con las predicciones de fase única. La predicción del límite elástico mediante un modelo basado en mecanismos de dislocación de bordes indicó 2.1 GPa a temperatura ambiente y 850 MPa a 1000 °C para la fase equimolar de bcc única. La dureza de la aleación con hojas de C15 fue de 748 HV (límite elástico de ~2,4 GPa). Finalmente, se modeló la sección transversal macroscópica de absorción de neutrones para un amplio rango de energías. Los desplazamientos por átomo por año y los cálculos de activación, hasta 1000 años después de 2 años de operación continua, en escenarios típicos de reactores de fusión y fisión también se realizaron utilizando el código de inventario FISPACT-II. Este trabajo ofrece una nueva visión de la estabilidad de fase y el rendimiento del VNbCrMo RHEA, que se compara con una aleación de concepto de diseño similar, para evaluar el potencial de las nuevas RHEA para su uso en aplicaciones nucleares avanzadas.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- VNbCrMo سبيكة حرارية عالية الإنتروبية للتطبيقات النووية
- Translated title (French)
- Alliage réfractaire à haute entropie VNbCrMo pour applications nucléaires
- Translated title (Spanish)
- Aleación refractaria de alta entropía VNbCrMo para aplicaciones nucleares
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4327560027
- DOI
- 10.1016/j.ijrmhm.2023.106200
References
- https://openalex.org/W2020462182
- https://openalex.org/W2028572649
- https://openalex.org/W2039061417
- https://openalex.org/W2063498212
- https://openalex.org/W2092950833
- https://openalex.org/W2168505644
- https://openalex.org/W2193109498
- https://openalex.org/W2408247608
- https://openalex.org/W2578042134
- https://openalex.org/W2592385014
- https://openalex.org/W2755525533
- https://openalex.org/W2795754432
- https://openalex.org/W2890116215
- https://openalex.org/W2899443725
- https://openalex.org/W2908801406
- https://openalex.org/W2910442486
- https://openalex.org/W2933799216
- https://openalex.org/W2951539866
- https://openalex.org/W2962789761
- https://openalex.org/W2995098575
- https://openalex.org/W3045701995
- https://openalex.org/W3047919257
- https://openalex.org/W3118549533
- https://openalex.org/W3120273039
- https://openalex.org/W3129773030
- https://openalex.org/W3147161765
- https://openalex.org/W3180282413
- https://openalex.org/W3217011536
- https://openalex.org/W4293225410