The fretting wear characteristics of TiN coated Zircaloy-4 tube were investigated experimentally The fretting wear experiment was performed using TiN coated Zircaloy-4 tube as the fuel rod cladding material and uncoated Zircaloy-4 tube as one of grids. TiN coating is probably one of the most frequently and successfully used PVD coatings for the mitigation of fretting wear. In this study, TiN coating by PVD was employed for improvement of Zircaloy-4 tube fretting characteristics. The fretting tester was designed and manufactured for this experiment. TiN coated Zircaloy-4 tube was used as the moving specimen, uncoated ZircaBoy-4 tube as the stationary one. The number of cycles, slip amplitude and normal load were selected as main factors of fretting wear. The results of this research showed that the wear volume of TiN coated Zircaloy-4 tube increased as number of cycles, normal load and slip amplitude increase but the quantity of volume was lower than the case of uncoated Zircaloy-4 tube pairs.
A study was undertaken to determine the influence of welding variables such as shielding and plasma gases, torch standoff, travel speed and heat input, etc. on the quality of plasma arc welds in Zircaloy-4 sheet, 2mm thick. Effect of shielding gases and their flow rates on the mechanical properties of Zircaloy-4 welds by plasma arc welding were determined in terms of tensile, bardness and bend tests. The microstructure and fracture surface of Zircaloy-4 welds were investigated by optical and scanning electron microscopies. In addition, the causes of porosity and undercut in plasma arc welds of Zircaloy-4 were also investigated. Zircaloy-4 weld bead width and depth by helium shielding gas showed a wider and deeper than those by argon. It was found that Zircaloy-4 welds with shielding gas of helium did dxhibit a little smoother and uniform weld beads than those with shielding gas of argon. It was also found that the optimum gas flow rates for Zircaloy-4 welding were 0.45l/min for plasma gas with Ar and 4.5 - 6 l/min for shielding gas with He. In addition, there was no big difference in the microstructure and fracture surface of the weld metals made by either Ar shielding gas or He shielding gas.
The hydrogen redistribution induced by thermotransport at temperatures likely to be encountered in nuclear power reactors (300-$340^{\circ}C$) was investigated in modified Zircaloy-4 alloys. Modified Zircaloy-4 alloys were prepared by altering the chemical composition of Zircaloy-4; the oxygen content of Zircaloy-4 (0.1 wt%) was increased to 0.2, 0.5 and 1.0 wt%. The heat of transport ($Q^{*}$ ) for hydrogen was measured by changing the initial hydrogen and oxygen concentrations. It was found that the heat of transport was not affected by increases in the initial hydrogen concentration from 63.3 to 91.7 ppm. However, the value of $Q^{Q}$ decreased from 6.8 to 4.5 ㎉/mol as the initial oxygen concentration was increased from 0.2 to 1.0 wt%.
A study on the change of mechanical properties and oxidation behavior of Zircaloy-4 fuel cladding after exposing at 90$0^{\circ}C$ and $1000^{\circ}C$ for various periods of exposure time under the steam atmosphere was carried out. The growth of the $ZrO_2$ layer combined with an oxygen-rich-phase layer into the Zircaloy tube material can be described by an expression, E = 1.1√Dt + $2 $\times$ 10^{-4}$ . The tensile strength of Zircaloy tubes increased for a short period of exposure time and decreased rapidly with further exposure while the hoop strength was not decreased greatly. In the meantime, the axial and circumferential elongations of oxidized Zircaloy tubes were decreased drastically with increasing exposure time as a result of embrittlement phenomena.
최종 pilgering 단계에서의 가공량이 서로 다른 Zircaloy-4 피복관을 대상으로 350-50$0^{\circ}C$, 원주응력 80-150 N/$\textrm{mm}^2$의 이축응력 조건에서 크립시험이 수행되었다. Zircaloy-4 피복관의 크립변형률 및 크립변형량은 최종 pilgering 단계에서의 가공량에 비례하여 커졌다. 이를 토대로 크립모델 제시되었으며 제시된 모델은 Zircaloy-4 피복관의 크립거동을 매우 잘 모사하였다. Zircaloy-4 피복관의 크립활성화 에너지는 $\alpha$-zirconium에서의 자기확산의 활성화에너지 값과 거의 동일한 60 Lcal/mole 이므로, 크립지배기구는 전위상승이다. 따라서 가공량에 따라 크립변형률 및 크립변형률의 증대는 가공량에 따른 기지상내의 점결함의 증가 때문으로 사료된다.
원자력 발전소에 있어서 정상가동 상태나 이상동작시에 핵연료 피복관의 건전성 확보와 연관하여 피복재의 항복거동은 중요한 문제이다. 급격한 출력상승 상황에서 이산화 우라늄 소결체와 피복관 사이의 노내 조사거동의 차이는 소결체와 피복관 사이에 Contact Pressure를 야기 시킨다. 만일 이 Contact Pressure가 Zircaloy 피복관의 Yield Pressure에 도달하면 피복관에는 영구변형이 일어난다. 이 변형은 원자로의 출력이 정상상태로 회복되더라도 존재하므로 소결체와 피복관 사이의 Gap을 증대시킨다. 이러한 상황을 묘사하기 위해 본 논문에서는 구리 Mandrel과 Zircaloy사이의 열팽창 차이를 이용하는 Mandrel 팽창 실험을 실행했다. 실험 결과 측정된 Zircaloy 피복관의 외경 팽창치와 본 논문에서 유도된 수학적 관계식들을 이용하여 온도에 따른 Zircaloy 피복관의 내부항복압력과 항복응력, 피복재의 항복에 따른 핵연료 소결체와 피복관 사이의 Gap 증대를 구하고, 항복 거동에 따른 온도의 영향을 보기 위해 항복과정의 활성화 에너지를 구했다. 본 실험과 분석에서 얻어진 이들 결과들은 다른 실험 결과들과 상당히 일치하였으며, 이것으로 볼 때 본 논문에서 유도된 관계식들과 Mandrel 팽창 실험이 Zircaloy 피복관의 항복거동과 Gap Expansion 측정에 신뢰성이 있음을 알 수 있었다.
국산 핵연료에 사용되는 KOFA Zircaloy-4피복관의 조사성장 거동을 평가하고 제조 공정이 서로 다른 Siemens사 피복관의 조사성장거동과 비교하기 위하여 고리 2호기에 장전된 핵연료 피복관의 조사성장이 측정되었다. KOFA Zircaloy-4피복관은 최종 열처리시의 부분 재결정화로 인하여 fully annealed Zircaloy피복관고 Siemens사 피복관의 측정된 조사성장율이 차이는 제조공정의 차이에 기인한 피복관 집합도 계수의 차이로서 설명할 수 있었다. 고리 2호기 국산핵연료에서 측정된 자료를 이용하여 KOFA Zircaloy-4 피복관의 2단계 조사성장 모델이 유도되었는데 향후 측정자료가 많이 축적되면 유도된 모델의 정확성이 보다 명확하게 검증될 수 있을 것이다.
전해정련을 이용한 폐 피복관 처리의 타당성을 살펴보기 위하여, $500^{\circ}C$의 LiCl-KCl 용융염 내에서 표면이 산화된 10 g 규모의 Zircaloy-4 피복관 및 순수한 Zircaloy-4 피복관의 전기화학적 거동을 살펴보았다. 산화된 Zircaloy-4 피복관이 담긴 basket을 작업전극으로하여 전압-전류 관계를 측정한 결과, 산화되지 않은 Zircaloy-4 피복관과 비교해 Zr의 산화 peak는 Ag/AgCl 기준 전극 대비, 약 -0.7 V ~ -0.8 V로 유사한 반면, 산화 전류의 크기는 확연하게 감소하는 것으로 나타난다. 이러한 결과는 -0.78 V의 일정전위를 가한 전기화학적 용해 실험에서 살펴본 전류-시간 곡선에서도 유사하게 나타나며, 피복관 조각들의 평균 두께 및 무게 변화로부터 확인할 수 있다. Zircaloy-4 피복관이 산화되었을 경우, 표면의 산화막이 피복관의 전도성에 영향을 주어 basket 내 위치에 따라 전기화학적 용해의 균일성 및 속도를 떨어뜨리는 것으로 나타나지만, 표면의 미세한 결함과 Zr 산화물의 상 특성으로 인해 전기화학적 용해가 진행되는 것으로 판단된다.
The fretting wear behaviour of Zircaloy-4 tube used as the fuel rod cladding in PWR nuclear power plants has been investigated at the different test environment, in light water and in air as a function of slip amplitude, normal load, test duration and frequency. Zircaloy-4 tubes were used for both of oscillating and stationary specimens. A fretting wear tester was designed to be suitable for this fretting test. The wear volume and specific wear rate of Zircaloy-4 tube in water were greater than those in air under various slip amplitude. It was found that delaminate debris and surface cracks were observed at low slip amplitude and high load in water Experimental results showed that the light water accelerated the wear of Zircaloy-4 tube at low slip amplitude in fretting.
The fretting wear characteristics of the contact between Zircaloy-4 tube and Inconel 600 tube have investigated. Zircaloy-4 is used for fuel rod in nuclear reactor and Inconel 600 is used for tube In steam generator of nuclear power plant. A fretting wear tester was designed to be suitable for this fretting test. In this study, the number of cycles, slip amplitude and normal load were selected as main factors of fretting wear. This study shows that the wear scar length of Zircaloy-4 and Inconel 600 increases as number of cycles, normal load and slip amplitude increase and the wear scar length of Zircaloy-4 is more longer than that of Inconel 600 due to the surface hardness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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