The-steady-state creep mechanism and behavior of Zircaloy-4 used as cladding materials in PWR have been investigated in air environment over the temp, ranges from 600 to $645^{\circ}C$ and stress ranges from 4 to $7kg/mm^2$. The stress exponents for the creep deformation of this alloy, n were decreased 4.81, 4.71, 4.64, and 4.56 at 600, 615, 630 and $645^{\circ}C$, respectively; the stress exponents decreased with increasing the temperature and got closer to about 5. The apparent activation energies, Q, were 62.1, 60.0, 57.9 and 55.4 kcal/mole at stresses of 4, 5, 6, $7kg/mm^2$, respectively; the activation energies decreased with increasing the stress and were close to those of volume self diffusion of Zr in Zr-Sn-Fe-Cr system. In results, it can be considered that the creep deformation for Zircaloy-4 was controlled by the dislocation climb over the ranges of this experimental conditions. Larson-Miller parameter, P, for the crept specimens was obtained as P=(T+460)(logt,+23). The failure plane observed by SEM slightly showed up intergranular fracture at this experiment ranges. However, it was essentially dominated by the dimple phenomenon, which was a characteristics of the transgranular fracture.
Nitrogen implantation process has been applied for improvement of wear resistance of Z Zircaloy-4 fuel cladding materials. Nitrogen was implanted at 120 ke V to a total do range of 1xHP ions/cm2 to 8xlO17 ions/cm2 at various temperatures of 298"C to 676"C. The m microstructure changes by nitrogen implantation were analyzed by using TEM, XRD 뻐d A AES, cmd then wear behavior was evaluated by ball-on-disc wear testings at various loads a and sliding velocity under unlubricated condition. Nitrogen implantation produced ZrNx nitride above 4.37x1017 ions!cm2 as well as heavy d dislocations, which enhanced microhardness of the implanted surface of up to 900 Hk from 2 200 Hk of unimplanted substrate. Hardness was also found to be increased with increasing i implantation temperature and enhanced up to OOOHk at 620 "C. the wear resistance was g greatly improved with increasing total ion do않 as well as implantation temperature. The effective enhancement of wear resistance at high dose and tem야ratures is believed d due to significant hardening associated with high degree of precipitation of Zr nitrides and g generation of prismatic dislocation I$\infty$ps.infty$ps.
고온 수증기(1323 K)분위기에서 산화시킨 지르칼로이-4 피복관으로, 구리 맨드렐 팽창실험(Copper Mandrel Expension Test)을 변형률(Strain Rate)이 $3.0\times10^{-5}$/sec일때 673-1173 K 온도 범위에서 수행하였다. 본 연구에서, 산화매개변수(Ki)는 시간(t)의 제곱근에 비례하고 $(Ki=\delta_{kit}\frac{1}{2}$), 비례상수($\delta_{ki}$)는 무게증가(Weight Gain), Zr02의 두께, $\alpha$(0) 층에 대하여 각각 0.281, 2.82, 2.313을 사용하였다. 지르칼로이-4의 고온(873-1073 K) 소성변형에 의한 활성화 에너지는 Zr02가 높은 강도를 갖기 때문에 산화 시간이 5분에서 60분으로 증가함에 따라 251 KJ/mol에서 323KJ/mo1로 증가하였다. 산화막 두께, K와 항복 응력의 관계는 ($\sigma/C)^n=K^m$exp (Q/RT)인 관계식을 얻었다. 여기서 n은 6.9, m은 5.7, 그리고 Q가 251, 258, 316, 323 KJ/mo1에 대해 C는 0.155, 0.138, 0.051, 0.046MPa이다.
핵연료 피복재 (Zircaloy-4)에 생기는 얇은 산화층의 두께에 따른 고온에서의 산화 거동을 관찰하기 위하여 실험과 수치 계산을 수행하였다. 산화 실험은 수중기와 물의 혼합 분위기에서 지르칼로이-4판재 시편을 $650^{\circ}C$에서 600초, 1,800초 동안 산화시켜서 산화층을 형성시킨 후 $700^{\circ}C$ 와 85$0^{\circ}C$ 사이의 온도에서 산화 거동을 관찰하였다. 기산화층의 두께가 두꺼울수록 고온에서의 산화율은 as-received cladding의 경우보다 낮았다. 기산화층이 형성된 시편에서는 산화율 천이 영역이 나타났으며 이 영역은 산화 온도가 올라감에 따라 점차로 소멸되었다. 기산화층의 영향은 낮은 온도($700^{\circ}C$)에서 가장 뚜렷하게 나타났다. 수치 계산 결과에 의하면, 산화층 증가율과 무게 증가는 실험 결과와 비슷하게 기산화층의 두께에 영향을 받았다.
핵연료 피복관 제조 및 사용 시에 필요한 자료를 얻기 위하여 지르칼로이-4재료에서 가공과 열처리의 영향을 조사하였다. 지르칼로이-4 재료는 저가공도에서는 경도가 급격히 증가하지만 10% 이상 가공도 에서는 점진적으로 증가하였다. 냉간가공된재료의 재결정은 가공도가 30%, 60%, 80%로 증가함에 따라서 64$0^{\circ}C$, 59$0^{\circ}C$, 555$^{\circ}C$에서 각각 완료되었다. $\beta$구역에서 열처리한후에 노냉, 공냉, 수냉을하였을 때 냉각속도가 증가함에 따라서 경도는 증가하고, 조직은 coarse widmanstatten($\alpha$) $\longrightarrow$ fine parallel plate($\alpha$) $\longrightarrow$ martensite($\alpha$$^{'}$)순으로 변화한다. 변화한다.
Potential air ingress scenarios during accidents in nuclear reactors or spent fuel pools have raised the question of the influence of air, especially of nitrogen, on the oxidation of zirconium alloys, which are used as fuel cladding tubes and other structure materials. In this context, the reaction of zirconium with nitrogen-containing atmospheres and the formation of zirconium nitride play an important role in understanding the oxidation mechanism. This article presents the results of analysis of the interaction of the oxygen-preloaded niobium-bearing alloy $M5^{(R)}$ with nitrogen over a wide range of temperatures ($800-1400^{\circ}C$) and oxygen contents in the metal alloy (1-7 wt.%). A strongly increasing nitriding rate with rising oxygen content in the metal was found. The highest reaction rates were measured for the saturated ${\alpha}-Zr(O)$, as it exists at the metal-oxide interface, at $1300^{\circ}C$. The temperature maximum of the reaction rate was approximately 100 K higher than for Zircaloy-4, already investigated in a previous study. The article presents results of thermogravimetric experiments as well as posttest examinations by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and microprobe elemental analyses. Furthermore, a comparison with results obtained with Zircaloy-4 will be made.
During transients or accidents, the reactor core is uncovered, and droplets entrained above the quench front collides with the uncovered fuel rod surface. Droplet impact cooling can reduce the peak cladding temperature. Besides zirconium-based cladding, versatile accidental tolerant fuel (ATF) claddings, including FeCrAl, have been proposed to increase the accident coping time. In order to investigate the effect of surface properties on droplet impact cooling of cladding surfaces, the droplet impact phenomena are photographed on the FeCrAl and zircaloy-4 (Zr-4) surfaces under different conditions. On the oxidized FeCrAl surface, the Leidenfrost phenomenon is not observed even when the surface temperature is as high as 550 ℃ with We > 30. Comparison of the impact behaviors observed on different materials shows that nucleate and transition boiling is more intensive on surfaces with larger thermal conductivity. The Leidenfrost point temperature (LPT) decreases with the solid thermal effusivity (${\sqrt{k{\rho}C_p}}$). However, the CHF temperature is relatively insensitive to the surface oxidation and Weber number. Droplet spreading diameter is analyzed quantitatively in the film boiling stage. Based on the energy balance a correlation is proposed for droplet maximum spreading factor. A mechanistic model is also developed for the LPT based on homogeneous nucleation theory.
온도 및 연신율 변촤가 Zircaloy-4의 요드 응력부식 거동에 미치는 영향을 30$0^{\circ}C$에서 일정 하중법과 300, 350, 40$0^{\circ}C$에서 일정 연신율법으로 ($10^{-5}$sec~$10^{-6}$ sec) 3.34mg $I_2$/㎤의 요드분위기에서 연구하였다. 요드 응력부식균열에 대한 저항성은 온도가 상승하거나 변형속도가 감소하면 감소했고 파손 시간과 응력과의 관계는1/tf∝exp (0.3$\sigma$/$\sigma$uTs-31.5)로 표시할 수 있었다. 30$0^{\circ}C$에서 요드 응력 부식 균열에 대한 저항성을 불활성 분위기에서의 파손에너지에 대한 요드분위기에서의 파손 에너지의 비율로 표시할 때 변형속도가 7.6$\times$$10^{-6}$ sec 부근에서 저항성이 가장 낮았고 온도가 35$0^{\circ}C$, 40$0^{\circ}C$ 로 증가함에 따라 보다 높은 변형속도에서 최저 저항성을 나타내는 경향을 보였다. 요드 응력부식 균열의 파단면에서 준-벽계 파면(quasi-cleavage fracture)을 관찰했다. 전술한 결과에 의하면 Zircaloy-4의 요드 응력부식균열의 기구에 있어서 보호 피막파손단계 (film rupture step)가 중요한 과정으로 추정된다.
본 연구에서는 산화 공정이 Zircaloy-4 (Zry-4) 피복관의 염소화 반응 속도에 미치는 영향을 연구하기 위하여 Zry-4 피복관의 염소화 반응 실험을 수행하였다. 2시간 마다 반응 생성물을 회수하며 총 6 시간 동안 염소화 반응 실험을 수행하였고, 이를 통해 500도에서 10 시간 동안 산화된 Zry-4의 경우 초기 0-2 시간 구간에서 반응 속도가 현저히 저하되는 것을 확인하였다. 반응 잔류물은 fresh Zry-4와 산화된 Zry-4에서 각각 초기무게의 0.95, 1.65wt%로 확인되었다. 회수된 Zr의 순도는 두 경우 모두 99.61wt%로 동일하였다. 반응 속도의 정량적 분석을 위해 피복관의 반응 시간을 0.5, 1, 2, 4 시간인 경우에 대해 실험을 수행하였다. 실험 결과 분석을 통해 fresh Zry-4의 경우 전 영역에 걸쳐 23.35wt%/h의 단위 시간당 무게감소를 확인할 수 있었고, 산화된 Zry-4의 경우 반응 속도가 두 영역으로 나뉘는 것을 확인하였다. 산화된 Zry-4의 무게 감소 속도는 0-20wt% 영역에서는 17.12wt%/h, 20-100wt% 영역에서는 27.16wt%/h으로 나타났다.
Zircaloy cladding oxidation is an important phenomenon for both design basis accident and severe accidents, because it results in cladding embrittlement and rapid fuel temperature escalation. For this reason during the last decade, many experts have been conducting experiments to identify the oxidation phenomena that occur under design basis accidents and to develop mathematical analysis models. However, since the study of design extension conditions (DEC) is relatively insufficient, it is essential to develop and validate a physical and mathematical model simulating the oxidation of the cladding material at high temperatures. In this study, the QUENCH-05 and -06 experiments were utilized to develop the best-fitted oxidation model and to validate the SPACE code modified with it under the design extension condition. It is found out that the cladding temperature and oxidation thickness predicted by the Cathcart-Pawel oxidation model at low temperature (T < 1853 K) and Urbanic-Heidrick at high temperature (T > 1853 K) were in excellent agreement with the data of the QUENCH experiments. For 'LOCA without SI' (Safety Injection) accidents, which should be considered in design extension conditions, it has been performed the evaluation of the operator action time to prevent core melting for the APR1400 plant using the modified SPACE. For the 'LBLOCA without SI' and 'SBLOCA without SI' accidents, it has been performed that sensitivity analysis for the operator action time in terms of the number of SIT (Safety Injection Tank), the recovery number of the SIP (Safety Injection Pump), and the break sizes for the SBLOCA. Also, with the extended acceptance criteria, it has been evaluated the available operator action time margin and the power margin. It is confirmed that the power can be enabled to uprate about 12% through best-estimate calculations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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