A Unified predictive framework for precipitation in Fe-Cr-Al alloys based on effective diffusion length; From dense-cascade irradiation to thermal aging

Fe-Cr-Al合金における析出の実効拡散距離に基づく統一予測フレームワーク; 密カスケード照射から熱時効まで

阿部 陽介  ; 佐々木 泰祐*; 山下 真一郎   ; 大久保 成彰   ; 鵜飼 重治  

Abe, Yosuke; Sasaki, Taisuke*; Yamashita, Shinichiro; Okubo, Nariaki; Ukai, Shigeharu

事故耐性燃料被覆管向けFe-Cr-Al合金は照射下で析出により脆化しうるが、イオン照射から中性子環境への外挿は未解決であった。本研究では12合金・80条件のアトムプローブデータベースを構築し、既報データ約170件を統合したうえで、点欠陥理論に基づく有効拡散長を損傷速度・照射量・温度・時間を包含するパラメータフリーのスカラー量として用いる統一的枠組みを構築した。Cr、Al、有効拡散長のみを入力とする機械学習モデルは、体積分率と数密度について照射種を越えた予測に成功したが、析出物サイズと組成は予測できず、この限界はカスケード損傷に起因する弾道的混合に帰される。また、Alの非単調効果(5 at.%で析出を促進)を見出し、被覆管設計で回避すべき組成域を特定した。

Fe-Cr-Al alloys for accident-tolerant fuel cladding can embrittle through precipitation, yet ion-to-neutron extrapolation has remained unsolved. We built an atom probe tomography database of 80 conditions from 12 alloys, integrated 170 published entries, and developed a unified framework using the effective diffusion length from point-defect theory as a parameter-free scalar encoding dose rate, dose, temperature, and time. Machine-learning models with only Cr, Al, and the effective diffusion length predicted volume fraction and number density across irradiation types, but not precipitate size or composition - a limit attributed to ballistic mixing. A non-monotonic Al effect (5 at.% promoting precipitation) was also identified, defining a composition window to avoid in cladding design.