Preliminary investigation of thermo-mechanical properties of novel yttria-doped alumina coatings for lead fast reactor applications

LFR nuclear reactors present some technological issues due to Lead (or Lead-Bismuth eutectic) compatibility with structural steels. One possible solution is the use of oxide coatings to physically separate liquid metal and steels. In previous works an amorphous PLD-deposited alumina nanoceramic coating was developed by IIT researchers at Nanolab@Polimi that showed promising features in terms of lead compatibility and irradiation stability. Some doping studies have been performed in order to improve the technology, and in the present work a novel Yttria doped Alumina nanoceramic coating is studied. Different compositions with fraction of Yttria are taken into examination to determine which is the best in terms of thermal stability and extrapolate a first estimation of the elastic modulus and poisson's coeffcient. Temperature tests are carried out through annealing and characterization of the samples is performed with SEM, XRD, Brillouin spectroscopy, Ellipsometry and Nanoindentation. Thermal annealing results determined that a 30% wt. yttria doping maximises the stability of the amorphous structure, up to 900°C, a temperature suitable for nuclear applications. While EBN (Ellipsometry Brillouin Spectroscopy) technique provided a first estimate of the mechanical properties of the materials. Also a model to derive density through ellipsometry in binary system is proposed obtained adapting Lorentz-Lorenz equation

I reattori nucleari LFR presentano alcuni problemi tecnologici dovuti alla compatibilità del Piombo (o eutettico Piombo-Bismuto) con gli acciai strutturali. Una possibile soluzione è l'uso di rivestimenti di ossido per separare fisicamente il metallo fuso e gli acciai. In precedenti lavori un rivestimento nanoceramico amorfo di allumina, depositato con PLD è stato sviluppato dai ricercatori IIT presso il Nanolab@Polimi, mostrando caratteristiche promettenti in termini di compatibilità con il piombo e stabilità all'irraggiamento. Recentemente sono stati eseguiti alcuni studi sul drogaggio per migliorare la tecnologia e, nel presente lavoro, viene studiato un nuovo rivestimento nanoceramico di allumina drogata con ittrio. Vengono prese in esame diverse composizioni con frazione di Ittria per determinare quale sia la migliore in termini di stabilità termica ed estrapolare una prima stima del modulo elastico e del coefficiente di Poisson. I test in temperatura vengono eseguiti tramite ricottura e la caratterizzazione dei campioni viene eseguita con varie tecniche tra cui SEM, XRD, spettroscopia Brillouin, ellissometria e nanoindentazione. I risultati della ricottura termica hanno determinato che un drogaggio di ittrio al 30% in peso massimizza la stabilità della struttura amorfa, fino a 900°C, una temperatura adatta per applicazioni nucleari. Mentre la tecnica EBN (Ellipsometry Brillouin Spectroscopy) ha fornito una prima stima delle proprietà meccaniche del materiale. Viene proposto anche un modello per derivare la densità attraverso l'ellissometria nel sistema binario creato riadattando l'equazione di Lorentz-Lorenz.