Deformation Characteristics of Zircaloy-4 Fuel Cladding due to Oxidation in Environment of High Temperature and Steam

고온, 수증기 속에서 산화된 질칼로이-4 핵연료 피복관의 변형 특성에 관한 연구

Studies were conducted to determine the extent of oxidation and same of the mechanical property changes of Zircaloy-4 fuel cladding after it was exposed to hot steam environment. The purpose of these tests was to provide some informations on the embrittlement behavior of CANDU type fuel cladding, which could be experienced under the loss-of-coolant accident conditions. The Zircaloy fuel cladding tubes were exposed in a steam environment at the temperature of 90$0^{\circ}C$, 1,00$0^{\circ}C$. The growth of the ZrO$_2$ layer combined with an oxygen rich $\alpha$-phase layer into the Zircaloy tube material was found as a function of time t and temperature of steam exposure, E=1.1√Dt+0.002 where D is a temperature dependent diffusion coefficient. The tensile strength of the specimens exposed for a short period increased but decreased continuously with further exposure. The circumferential elongation was drastically changed with the exposure time while the hoop strength did't decrease greatly. The X-ray measurement of preferred orientation of the Zircaloy tube material indicated that grains in the as received tube were oriented such that the poles of the basal (0001) planes were predominantly radial, while the poles of the basal plane in the tube materials heattreated at 1,00$0^{\circ}C$ were oriented tangentially. It appears that this reoriented texture may contribute to lessening the decrease of the hoop strength of the heat treated Zircaloy tube material.

가상적인 냉각제 상실 사고시의 조건하에 일어날 수 있는 취약화 현상에 대한 자료를 얻기 위하여 고온의 수중기 분위기에서 Zircaloy-4 핵연료피복관의 산화거동과 기계적성질 변화에 대한 연구를 수행하였다. 시편은 캔두형핵연료 피복관으로 사용되는 질칼로이 튜브를 사용하였으며 냉각제 상실 사고시 야기될 수 있는 수중기 분위기속 90$0^{\circ}C$와 1,00$0^{\circ}C$에서 유지시간을 변경하여 가면서 산화시켰다. 질칼로이 피복관의 표면과 내부에서 ZrO$_2$ 및 $\alpha$상의 형성속도 E는 온도와 시간의 함수인 E=1.1√Dt+0.002로 나타났다. 여기서 D는 온도에 의존하는 화산계수임. 시편에 대한 인장강도, 후프강도 및 연신율을 측정한 결과 단시간 산화된 시편의 인장강도는 원래의 피복관에 비해 처음에는 약간 증가하다가 계속되는 유지 시간에 따라 감소하였다. 후프강도는 유지 시간에 따라 많이 감소하지 않았으며 외경 방향의 인장율을 급격히 감소하였다. 피복관의 선택 방위 측정 결과 원래의 피복관 입자는 대부분이 기저면(0001)에 대한 극축이 외경 방향에 평행하게 놓였었으나 1,00$0^{\circ}C$에서 열처리한 경우는 극축이 외경 방향에 수직으로 변경됨을 알 수 있었으며 이러한 결정면의 방위분포 결과가 후프강도의 유지에 기여하는 것으로 추측되었다.