The role of temperature and heavy ion irradiation in the microstructural evolution of amorphous alumina coating for LFR applications

Lead-cooled fast reactor are one of the most prominent technologies concerning the Gen IV nuclear reactor but still presenting some criticalities due to the adoption of lead or LBE as coolant in contact with structural steel. One of the possible strategies adopted is to separate components from the coolant with a coating. An amorphous PLD-deposited alumina nanoceramic coating was developed by IIT researchers at CNST@Polimi. This work focuses the attention on the microstructural evolution of the coating, analyzing a set of samples deposited at different pulse repetition rate, undergoing thermal process only and thermal along irradiation field. The analysis of the thermal behaviour is conducted exploiting XRD and SEM for a preliminary insight about the integrity of the film, then XRR and Spectroscopic Ellipsometry to extrapolate the density. The irradiation analysis was carried out at the IVEM facility, where in-situ experiments involving ion irradiation and ion implantation were performed alongside TEM. During this research campaign, the examination of the effect of yttria doping is conducted concurrently with the investigation into the dependence on deposition pulse rate. The TEM images, including Dark Field, Bright Field, and Selected Area Electron Diffraction (SAED) patterns, are evaluated to gain insights into the structural changes and evolution of the coatings under irradiation conditions.

I reattori a neutroni veloci che usano piombo come termovettore sono una delle tecnologie più promettenti per quanto riguarda i reattori nucleari della Generazione IV , ma pre sentano ancora alcune criticità dovute all’adozione di piombo o eutettico piombo-bismuto (LBE) come refrigerante che arriva a contatto con l’acciaio delle componenti strutturali. Una delle possibili strategie adottate è quella di separare fisicamente i componenti dal refrigerante mediante un rivestimento. Un coating nanoceramico amorfo di allumina, de positato tramite PLD, è stato sviluppato dai ricercatori dell’IIT presso il CNST@Polimi. Questa tesi si focalizza sull’evoluzione microstrutturale del rivestimento, analizzando un insieme di campioni, depositati a diverse frequenze di ripetizione degli impulsi LASER, che sono poi sottoposti a processi prima solo termici, poi accoppiati ad irraggiamento di ioni pesanti per simulare il danno neutronico interno ad un reattore. L’analisi del comportamento termico è stata condotta utilizzando XRD e SEM per una prima valu tazione dell’integrità del film, seguite da riflettometria a raggi X (XRR) e ellissometria spettroscopica per estrapolare la densità del film e valutarne il grado di cristallizzazione. L’analisi del comportamento sotto irraggiamento è eseguita sfruttando IVEM, dove sono stati condotti esperimenti di irraggiamento ionico ad alta temperatura accoppiati con l’utilizzo di un TEM. Durante questa campagna di ricerca, oltre al comportamento dei campioni depositati con diversa frequenza, è stato osservato l’effetto del doping con it tria. Le immagini TEM, costituite da Dark Field, Bright Field e Selected Area Electron Diffraction (SAED), sono state analizzate per ricostruire i cambiamenti strutturali interni al coating.