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Ab Initio Simulations of Tritium Diffusion in Al-Rich Iron Aluminide Coating Phases

铝化物 材料科学 铝化钛 涂层 扩散 正交晶系 相(物质) 冶金 金属间化合物 单斜晶系 结晶学 复合材料 热力学 化学 晶体结构 合金 核物理学 有机化学 物理
作者
Michel Sassi,David J. Senor,Andrew M. Casella
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (21): 10315-10323
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c01028
摘要

Surface coatings of steels used in extreme conditions and corrosive environments generally aim to provide protection and increased durability. In the case of tritium-producing burnable absorber rods (TPBARs) used in nuclear reactors, a 316 stainless steel has been coated with Al. Scanning transmission electron microscopy (STEM) characterization of the coating found three Al-rich (>60 atom % Al) iron aluminide alloys identified as hexagonal FeNiAl<sub>5</sub>, monoclinic Fe<sub>4</sub>Al<sub>13</sub>, and orthorhombic Fe<sub>2</sub>Al<sub>5</sub>. Density functional theory simulations using nudged elastic band have been performed to investigate the diffusion of interstitial tritium in each Al-rich iron aluminide phase. While FeNiAl<sub>5</sub> and Fe<sub>4</sub>Al<sub>13</sub> can be viewed as the stacking of two layers, the structural peculiarity of Fe<sub>2</sub>Al<sub>5</sub> is that channels of variable Al vacancy content are present along the c-axis. Therefore, three stoichiometries for Fe<sub>2</sub>Al<sub>x</sub> phase, namely, Fe<sub>2</sub>Al<sub>4</sub>, Fe<sub>2</sub>Al<sub>5</sub>, and Fe<sub>2</sub>Al<sub>6</sub>, have been considered to evaluate the impact of Al vacancy concentration on tritium diffusion behavior. Altogether, we found that at 600 K, tritium diffusion decreases from a faster rate in the channels of Fe<sub>2</sub>Al<sub>x</sub> phases (D<sub>T</sub> ≤ 10<sup>–11</sup> m<sup>2</sup>·s<sup>–1</sup>) to Fe<sub>4</sub>Al<sub>13</sub> (D<sub>T</sub> ≈ 10–12 m2·s–1), and finally in FeNiAl5 (D<sub>T</sub> ≈ 10<sup>–13</sup> m<sup>2</sup>·s<sup>–1</sup>). Here, we also find that interstitial tritium generally diffuses faster in Fe–Al coating phases than in the tritium breeding material γ-LiAlO<sub>2</sub> (D<sub>T</sub> ≈ 10<sup>–14</sup> m<sup>2</sup>·s<sup>–1</sup>) but slightly slower than in 316 stainless steel (D<sub>T</sub> ≈ 10<sup>–10</sup> m<sup>2</sup>·s<sup>–1</sup>).

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