Nedavni dogodki povezani s puščanjem cevovodov v jedrskih elektrarnah v Franciji, Belgiji in Sloveniji so izpostavili pomanjkljivosti v nadzornih in napovednih zmogljivostih preventivnih vzdrževalnih programov v jedrski industriji. Te pomanjkljivosti onemogočajo pravočasno zaznavanje ključnih mehanizmov staranja v strukturnih komponentah, kot so nastanek napetostno korozijskih razpok, toplotnega utrujanja in njunih kombinacij. V teh procesih se poškodbe materiala pogosto tvorijo na mejah kristalnih zrn, kjer nastanejo mikroskopsko majhne razpoke. Sčasoma lahko te mikroskopske razpoke napredujejo vzdolž kristalnih mej in se združijo v večje makroskopske razpoke, ki lahko ogrozijo strukturno celovitost obremenjene komponente. Za zmanjšanje stroškov, povezanih z nepredvidenimi izpadi obratovanja elektrarn in zamenjavami komponent, so za napovedovanje dovzetnosti komponent na nastanek mikroskopskih razpok in kasnejšega napredovanja v obliki makroskopskih razpok izjemnega pomena natančni modeli.
Glavni cilj doktorskega dela bo razviti napreden računalniški program za ocenjevanje življenjske dobe komponent (npr. cevovoda) primarnega sistema jedrskih elektrarn. Novost pristopa bo v dinamičnem ločevanju inherentne večskalne narave napredovanja poškodb na dva medsebojno povezana modela. Le-ta se bosta v simulaciji izvajala hkrati, a bo vsak od njiju obravnaval pojave na specifični dolžinski in časovni skali.
Program bo omogočal hitre in natančne simulacije rasti makroskopske razpoke v modelu komponente s pomočjo upoštevanja vseh relevantnih mehanizmov, ki se odvijajo na mikro skali pred konico razpoke. Ključno vlogo pri tem bo igral novo razviti lokalni model agregata, ki bo v prostoru dinamično sledil rasti makroskopske razpoke v modelu komponente in s tem simuliral napredovanje poškodb na kristalnih mejah agregata tik pred konico razpoke. V tem lokalnem modelu bomo poškodbe mej povezali z razmeroma počasno (difuzijsko) rastjo kovinskih oksidov na kristalnih mejah, kjer bodo poleg oksidov prisotne še druge krhke faze, kot so kromovi karbidi ali feriti, odvisno od predhodne toplotne obdelave komponente. Na ta način bomo zagotovili časovno odvisno statistično porazdelitev poškodb na okoliških mejah zrn, ki bo odvisna še od razdalje do konice razpoke, plastične deformacije ter same mikrostrukture materiala. Ko bo delež popolnoma poškodovanih mej znotraj modela agregata presegel mejno vrednost, bo to signaliziralo rast makroskopske razpoke v vzporednem modelu komponente.
V predlaganem lokalnem modelu bodo poškodbe razporejene nehomogeno po kristalnih mejah agregata, kar je posledica spremenljivosti mikrostrukture kot tudi neenakomerne oksidacije in kinetike izločanja defektov. Zaradi tega bodo tudi končne napovedi življenjske dobe komponente podane z določeno verjetnostjo. To se sklada z dejanskimi opažanji na primeru večjih komponent, kjer je nehomogena mikrostruktura neposredna posledica proizvodnega procesa.
Odsek za reaktorsko tehniko ima že dolgo tradicijo raziskav na področju računske mehanike trdnin, strukturne celovitosti in staranja jedrskih materialov. Naša raziskovalna skupina se specializira za razvoj večnivojskih simulacijskih orodij za opis polikristalnih kovinskih zlitin. Osredotočamo se na eksplicitno modeliranje mikrostrukture in simulacijo vplivov staranja, da bi izboljšali razumevanje lokalnih mehanizmov nastanka poškodb, kot sta nastanek in širjenje mikrorazpok, ki jih pospešujeta korozija in nevtronsko obsevanje. Pri svojem delu uporabljamo teorijo kristalne plastičnosti (na osnovi gradienta deformacije) ter teorijo faznega polja v okviru homogenizacijskih tehnik na osnovi končnih elementov ter hitre Fourierjeve transformacije (FFT). V zadnjih petih letih (2020 – 2025) smo dosegli naslednje tri pomembne rezultate:
1. V sodelovanju s CEA iz Francije smo s pomočjo mikromehanske analize medkristalnega napetostno-korozijskega pokanja ocenili lokalne kriterije za nastanek razpok v obsevanem avstenitnem nerjavnem jeklu. Statistična analiza je pokazala, da do razpok najpogosteje pride na kristalnih mejah, katerih normale so usmerjene vzporedno z osjo mehanske obremenitve, hkrati pa je na teh mejah prenos plastične deformacije majhen oz. omejen. Mikromehanske simulacije, ki so temeljile na rekonstruirani 3D mikrostrukturi, so eksperimentalno ugotovljeno korelacijo pojasnile z enotnim napetostnim kriterijem. Rezultati so bili objavljeni v zelo priznani reviji Acta Materialia.
2. Predlagan je bil preprost analitičen model za napovedovanje medkristalnih normalnih napetosti v splošnem elastičnem polikristalu pod enakomerno obremenitvijo, kjer so kristalna zrna poljubnih oblik in naključnih orientacij. Model podaja algebraičen izraz za lokalno normalno napetost na meji zrn in pripadajočo negotovost v odvisnosti od tipa kristalne meje, njenega naklona glede na smer zunanje obremenitve ter elastičnih parametrov materiala. Takšna povezava je ključna pri statističnem modeliranju lokalnih poškodb, kot je na primer napovedovanje verjetnosti za nastanek medkristalnega napetostno-korozijskega pokanja ali nastanek razpok zaradi utrujanja v konstrukcijskih materialih. Rezultati so bili objavljeni v priznani reviji European Journal of Mechanics, A Solids.
3. Leta 2022 se je naši raziskovalni skupini pridružil nov doktorski študent, ki je predlagal nov model za napovedovanje lokalizacije plastične deformacije v polikristalnih agregatih pod mehansko obremenitvijo. Model je posebej primeren za materiale, ki pri obremenitvi kažejo mehčanje, kot so kovine izpostavljene nevtronskemu obsevanju. Takšni materiali lahko razvijejo pasove lokalizirane deformacije na ravni kristalnih zrn, kar vodi do koncentracije napetosti na mejah zrn in kasneje do nastanka razpok. Numerična implementacija modela je bila izvedena v lastni računski kodi s pomočjo FFT. Metoda učinkovito odpravlja numerične nestabilnosti povezane z lokalizacijo in omogoča regularizacijo nastalih pasov. Razumevanje nastanka lokaliziranih pasov v obsevanih materialih je izjemno pomembno z vidika napovedovanja življenjske dobe reaktorskih komponent. Rezultati dela so bili objavljeni v zelo priznani reviji International Journal of Plasticity.