[논문 리뷰] Nanoscale characterisation of hydrides and secondary phase particles in Zircaloy-4

Wenjun Lu, Paraskevas Kontis외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 22.

Nuclear Materials and Properties참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 냉각된 집중 이온 비임 (cryo-FIB), STEM, EDS, EELS 및 원자 프로브 톰그래피를 활용하여 지르칼로이-4에서 나노스케일 수소화물과 보조 상 입자를 조사한다. 고체 용액 내에서 최대 6 at%의 수소를 확인하였고, 계면화학 스토이히오메트리보다 낮은 17 at% 수소를 포함한 초기 수소화물(embryonic hydrides)을 규명하였으며, 수소화물 인터페이스 앞서 용질 재분포가 발생하는 것을 입증하여 원자로 연료 피복 재료에서 수소 거동에 대한 이해를 심화시켰다.

ABSTRACT

The interaction of hydrogen and metals continues to be industrially relevant and is a critical part of creating and supporting a safety case for nuclear reactor operation. In the present work, we explore hydrogen storage and hydride formation in a zirconium alloy. We characterise the structure and interfaces of fine scale hydrides using scanning transmission electron microscopy (STEM) including energy dispersive spectroscopy (EDS/EDX), electron energy loss spectroscopy (EELS), and high-resolution STEM. Chemical characterisation is supported further with atom probe tomography (APT). Samples were prepared with cryo-focussed ion beam machining (cryo-FIB) and contain hydrides in α-Zr matrix and hydrides associated with one FeCrZr secondary phase particle (SPP). Major findings include characterisation of different interface planes based upon the size of the hydrides and chemical redistribution of solute ahead of the hydride-metal interface. We also find significant (up to 6 at%) hydrogen retained in solution within the zirconium matrix and show a hydride with only 17 at% hydrogen, which is well below that of a ξ-phase stoichiometry suggesting it is an embryonic hydride. These findings help us understand the distribution of hydrogen and the nanoscale morphology of hydrides, which may influence the lifetime of zirconium-based nuclear fuel cladding.

연구 동기 및 목표

• 지르칼로이-4, 핵연료 피복 재료의 핵심 소재로서 나노스케일에서 수소 분포 및 수소화물 형태를 이해하기 위해.
• α-지르칼로이 매트릭스 내 수소화물과 보조 상 입자(SPPs)의 구조 및 화학 조성을 규명하기 위해.
• 수소화물-금속 인터페이스 앞서 발생하는 상호작용 현상, 특히 용질 재분포를 조사하기 위해.
• 지르칼로이 매트릭스 내에서 고체 용액 상태로 유지되는 수소의 정도를 규명하기 위해.
• 화학 스토이히오메트리 이하의 수소 농도를 가지는 초기 수소화물(embryonic hydrides)을 식별하고 특성화하기 위해.

제안 방법

• 수소화물과 SPP를 포함한 지르칼로이-4 시료에서 현장 특이적 고품질의 TEM 램프를 제작하기 위해 냉각된 집중 이온 비임(cryo-FIB)을 사용하였다.
• 스캐닝 투과 전자현미경(STEM)과 에너지 분산 X선 분석(EDS), 전자 에너지 손실 분석(EELS)을 융합하여 나노스케일의 화학적 및 구조적 분석을 수행하였다.
• 고해상도 STEM를 통해 수소화물-매트릭스 및 수소화물-SPP 인터페이스의 원자 스케일 이미징을 수행하였다.
• 원자 프로브 톰그래피(APT)를 활용하여 근원자 해상도로 수소 및 용질 원소 분포를 정량화하였다.
• 수소화물의 형태 및 인터페이스 평면을 수소화물 크기와 국소 화학 환경과 연관지어 분석하였다.
• 화학 분석은 주로 수소 농도, 용질 응집(예: Fe, Cr, Zr), 그리고 인터페이스 확산 프로파일에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지르칼로이-4의 α-Zr 매트릭스 내에서 고체 용액 상태로 유지되는 수소의 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 수소화물의 결정학적 정렬과 크기가 그들의 인터페이스 구조 및 화학 조성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 FeCrZr 보조 상 입자(SPPs)와 관련된 수소화물의 화학 조성은 무엇인가?
• RQ4 화학 스토이히오메트리 이하의 수소 함량을 가지는 초기 수소화물(embryonic hydrides)을 식별하고 특성화할 수 있는가?
• RQ5 수소화물-금속 인터페이스 앞서 용질 원소 분포는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 지르칼로이 매트릭스 내에서 최대 6 at%의 수소가 고체 용액 상태로 존재함을 확인하여 높은 수소 용해도를 시사한다.
• 스토이히오메트리의 ξ-상(일般적으로 약 25 at%)보다 훨씬 낮은 17 at% 수소를 포함한 수소화물이 식별되어 초기 수소화물임을 입증한다.
• 수소화물-금속 인터페이스 앞서 용질 원소(예: Fe, Cr, Zr)의 화학적 재분포가 관찰되어 동적 인터페이스 과정이 존재함을 시사한다.
• 수소화물 크기 및 형태에 따라 다양한 인터페이스 평면을 특성화하였으며, 이는 크기에 따른 인터페이스 구조의 변화를 반영한다.
• 수소화물은 FeCrZr 보조 상 입자에서 핵형성 및 성장하는 것으로 밝혀졌으며, α-Zr 매트릭스 내 수소화물과는 상이한 인터페이스 화학 조성을 보였다.
• 원자 프로브 톰그래피는 비스토이히오메트릭 조성의 수소 농축 영역 존재를 확인하여, 비정상적 또는 초기 단계의 수소화물 상 존재를 뒷받침한다.