[보고서]고연소도 및 손상핵연료 수소화/재료물성 열화성능 기초자료 생산 및 열화모델 개발

[국가R&D연구보고서] 고연소도 및 손상핵연료 수소화/재료물성 열화성능 기초자료 생산 및 열화모델 개발
Fundamental Study on Failed Fuel Degradation at High Burn-up Due to Hydriding and the Development of Prediction Model 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한양대학교 HanYang University
보고서유형	2단계보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2013-01
과제시작연도	2012
주관부처	교육과학기술부 Ministry of Education and Science Technology(MEST)
연구관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO201300032418
과제고유번호	1345174784
사업명	원자력연구기반확충사업
DB 구축일자	2013-12-21
키워드	고연소핵연료.사용후핵연료.수소화 손상.건식저장.건전성열화.High-burnup nuclear fuel.Spent fuel.Hydriding failure.Dry Storage.integrity degradation.
DOI	https://doi.org/10.23000/TRKO201300032418

초록 ▼

III. 연구개발의 내용 및 범위
○ 노내 피복관 1차 및 2차 수소화 손상 기구 모델 정립
- 지르코늄 합금과 수소의 반응 이론
- 원자로 내 지르코늄 합금 피복관 수소화 기구
- 2차 수소화 모델 분석 및 실험
○ 지르코늄 합금 피복관 재료물성 시험
- 고연소도 핵연료 피복관의 수소화물 손상기구 분석
- 지르코늄 합금 핵연료 피복관의 수소취성 메커니즘 분석
- 수소화된 지르코늄 합금 피복관을 이용한 인장시험 및 결과 분석
○ 사용후핵연료 건식저장중 지연수소화균열 열화 모델 분석

Abstract ▼

III. Objective and Contents of Project
○ Analysis on secondary hydriding mechanism of zirconium alloy nuclear fuel cladding
- Reaction theory between zirconium alloy and hydrogen
- Hydriding failure mechanism of zirconium alloy in reactor
- Secondary hydriding model evaluation & experime

III. Objective and Contents of Project
○ Analysis on secondary hydriding mechanism of zirconium alloy nuclear fuel cladding
- Reaction theory between zirconium alloy and hydrogen
- Hydriding failure mechanism of zirconium alloy in reactor
- Secondary hydriding model evaluation & experiment
- Data acquisition and analysis of hydriding failure in reactor experience
○ Out-of-pile test on the material property of nuclear fuel cladding
- Analysis on failure mechanism due to hydride phase of high burn-up fuel cladding
- Hydride-induced embrittlement mechanism of fuel cladding
- Tensile test on mechanical properties of hydrided zirconium alloy
○ Evaluation on Delayed Hydriding Cracking degradation model
- Analysis on DHC degradation mechanism
- Evaluation on DHC model

표/그림 (84)

표 지르코늄 내 수소 고용반응에서의 Sieverts 상수의 실험자료

표 Zr, Zircaloy-2, Zircaloy-4에 대한 수소의 고용도 한계에 대한 실험자료

표 대량 수소화를 일으키는 수소/수증기 임계 분압비 비교

표 지르코늄-수소 시스템의 상평형도

표 Zircaloy-2의 대량수소화 반응에 따른 무게증가 거동

표 Zircaloy-4의 대량수소화 반응에 따른 무게증가 거동

표 ZIRLOTM의 대량수소화 반응에 따른 무게증가 거동

표 지르코늄 합금 피복관 결함 연료의 손상율 평가

표 Sunburst가 발생되는 과정의 단계별 형태 (조직 단면도)

표 Gas-Solid Reaction Process in A Defected Fuel Rod

표 TGA의 개략도

표 Autoclave의 개략도

표 Zircaloy-4과 P(H2)/P(H2O)=105 혼합기체의 온도에 따른 반응결과

표 Zircaloy-4과 P(H2)/P(H2O)=103 혼합기체의 온도에 따른 반응결과

표 Zircaloy-4과 P(H2)/P(H2O)=5x102 혼합기체의 온도에 따른 반응결과

표 500 ℃, P(H2)/P(H2O) 값에 따른 Zircaloy-4의 반응결과

표 450 ℃, P(H2)/P(H2O) 값에 따른 Zircaloy-4의 반응결과

표 425 ℃, P(H2)/P(H2O) 값에 따른 Zircaloy-4의 반응결과

표 400 ℃, P(H2)/P(H2O) 값에 따른 Zircaloy-4의 반응결과

표 SEM 사진: 산화막에 형성된 반경방향 crack실험조건: 500 ℃, P(H2)/P(H2O)=103

표 SEM 사진: 산화막에 형성된 반경방향 crack실험조건: 450 ℃, P(H2)/P(H2O)=103

표 SEM 사진: 산화막에 형성된 반경방향 crack실험조건: 4250 ℃, P(H2)/P(H2O)=103

표 SEM 사진: 산화막에 형성된 반경방향 crack실험조건: 400 ℃, P(H2)/P(H2O)=103

표 수소화율에 대한 아레니우스 플롯

표 지르코늄 합금의 화학조성표

표 인장시험시 발생할 수 있는 측정오차

표 하나로 1차 조사시험 및 조사시편 열화성능시험 매트릭스

표 Zircaloy-4의 기계적 물성

표 ZIRLO의 기계적 물성

표 MATPRO library 탄성계수와 Present Study 탄성계수 비교

표 CSA data 탄성계수와 Present Study 탄성계수 비교

표 MATPRO, ASTM B352와 Present study의 UTS, YS 비교

표 (a) 완전정합성(Fully coherent) H/Zr1

표 강화메커니즘 변화에 따른 항복강도 변화

표 냉각시간에 따른 응력-변형률 곡선 1) GP 구역, 2) ′-phase 석출

표 시편 열처리 내역 도식화

표 수소화 인장시편 도면

표 Gas diffusion apparatus 장치 개략도

표 만능 재료 시험기 (Instron 모델 5582)

표 Zircaloy-4 응력-변형률 곡선

표 ZILRO의 응력-변형률 곡선

표 지르코늄합금의 수소함유량에 따른 탄성계수의 변화

표 응력-변형률곡선에서 Zircaloy-4 탄성계수 변화.

표 응력-변형률곡선에서ZIRLO의 탄성계수 변화.

표 ANL 최대인장강도 실험값과 계산값 비교

표 지르코늄합금의 수소함유량에 따른 최대인장강도의 변화

표 응력-변형률곡선에서 Zircaloy-4의 최대 인장강도 변화

표 응력-변형률곡선에서 ZIRLO의 최대 인장강도 변화

표 수소함유량에 따른 항복강도와 최대인장강도의 변화 (a) 25 ℃ (b)350 ℃ (c) 480 ℃ (d) 균일연신율 At-axiatl test, HT- hoop test (M. Le Saux et al.)

표 인장속도와 수소함유량에 따른 항복강도와 최대인장강도의 변화(M. Grange et al.)

표 ZIRLO 수소화 시편의 소성거동(Log-Log scale) 및 offset 값에 따른 항복강도 차이

표 수소함유량이 링 인장시험에서 최대인장강도와 연신율에 미치는 영향 (Myung Ho Lee et al.)

표 수소함유량이 지르코늄합금의 최대인장강도에 미치는 영향 (S. J. Oh et al.)

표 Zircaloy-4 시편 basal (0002) 극 분포 (XRD - pole figure)

표 기울기 각에 따른 Zircaloy-4 시편의 basal 극 강도(intensity)

표 ZILRO 시편 basal (0002) 극 분포 (XRD - pole figure)

표 기울기 각에 따른 ZILRO 시편 basal 극 강도(intensity)

표 ANL 항복강도 실험값과 계산값 비교

표 지르코늄합금의 수소함유량에 따른 항복강도의 변화

표 응력-변형률곡선에서 Zirclaoy-4의 항복응력 변화

표 응력-변형률곡선에서 ZIRLO의 항복응력 변화

표 수소함유량에 따른 연신율 변화 (S.J. Oh et al.)

표 Zircaloy-4의 SEM 파단면 (x1000)

표 Zircaloy-4의 SEM 파단면 (x1000)

표 ZIRLO의 SEM 파단면 (x1000)

표 ZIRLO의 SEM 파단면 (x1000)

표 지연수소화균열 진행 과정.균열선단에 응력이 가해짐(맨위), 균열선단으로의 수소 이동 및 수소화물 석출(가운데) 수소화물에 의한 파단과 균열 성장(맨아래)

표 지연수소화균열 현상에 대한 균열 속도와 응력세기계수와의 관계

표 시차주사 열량측정법을 통해 관찰한 지르코늄 합금 내 수소 고용도의 이력현상

표 동적 탄성률 측정을 이용한 Zr-2.5Nb의 수소 고용도

표 250 ℃에서 측정한 실험 전 최대온도에 따른 CANDU 압력관의 지연수소화균열 속도

표 지연수소화균열 속도의 온도 의존성

표 Crack growth rates versus yield stress of the matrix at 300 ℃. The maximum crack growth rate is increased as the yield strength of the matrix is increased.

표 균열선단에서의 수소화물 성장과 기지 내의 수소화물의 용해

표 Diagram illustrating how the DC between the bulk and a crack tip is determined by the undercooling temperature where the crack tip concentration is fixed as the TSSD at the test temperature of 250 ℃ and the bulk concentration is reduced to the TSSP depending on the undercooling temperature.

표 Zr-2.5Nb tube의 미세구조 (a) 고 항복강도 (b) 저 항복강도

표 Dependency of the critical zone length at the crack tip on cracking of the hydrides and the yield strength: (a) a wide plastic zone without cracking of hydrides, (b) a smaller critical plastic zone (or small striation spacing (SS)) due to a higher yield strength and (c) a comparatively larger critical plastic zone (larger striation spacing (SS)) due to a lower yield strength. Here, the critical zone length corresponds to part of the plastic zone where the hydrides can grow to a critical hydride length (or lc) under the ΔC.

표 비조사된 Zr-2.5Nb 튜브 지연수소화균열의 온도 의존성

표 비조사된 Zr-2.5Nb 튜브에 나타나는줄무늬선(striation spacing)의 온도의존성

표 Gradual decrease in the ∆ corresponding to the TSSP-TSSD in Zr-2.5Nb tube with temperature in excess of 350 ℃

$X-ray diffraction analyses of (a) the bulk region at a distance of 20mm from the crack tip and of (b) the crack tip in the water-quenched Zr-2.5Nb specimens subjected to a DHC test at 250 ℃.$ 표 X-ray diffraction analyses of (a) the bulk region at a distance of 20mm from the crack tip and of (b) the crack tip in the water-quenched Zr-2.5Nb specimens subjected to a DHC test at 250 ℃.

표 Specimen design: the spark-eroded crack has the dimension 0.2 by 2mm2. The filled dots represent the position of the welded measuring electrodes for potential drop. The arrows indicate the positioning of the applied load.

표 Nominal dimensions of the PLT-specimens. Specimen is characterized by an effective notch length      , where  and  are the notch lengths at Sides A and B, respectively. The mark "M" at the specimen surface indicates the desired crack length for fatigue pre-cracking.

표 (a) PLT-fixtures for specimen length of 9 mm and 13 mm, (b) electrical connections for potential drop measurements on the PLT-specimen

표/그림 (84)

표 지르코늄 내 수소 고용반응에서의 Sieverts 상수의 실험자료

표 Zr, Zircaloy-2, Zircaloy-4에 대한 수소의 고용도 한계에 대한 실험자료

표 대량 수소화를 일으키는 수소/수증기 임계 분압비 비교

표 지르코늄-수소 시스템의 상평형도

표 Zircaloy-2의 대량수소화 반응에 따른 무게증가 거동

표 Zircaloy-4의 대량수소화 반응에 따른 무게증가 거동

표 ZIRLOTM의 대량수소화 반응에 따른 무게증가 거동

표 지르코늄 합금 피복관 결함 연료의 손상율 평가

표 Sunburst가 발생되는 과정의 단계별 형태 (조직 단면도)

표 Gas-Solid Reaction Process in A Defected Fuel Rod

표 TGA의 개략도

표 Autoclave의 개략도

표 Zircaloy-4과 P(H2)/P(H2O)=105 혼합기체의 온도에 따른 반응결과

표 Zircaloy-4과 P(H2)/P(H2O)=103 혼합기체의 온도에 따른 반응결과

표 Zircaloy-4과 P(H2)/P(H2O)=5x102 혼합기체의 온도에 따른 반응결과

표 500 ℃, P(H2)/P(H2O) 값에 따른 Zircaloy-4의 반응결과

표 450 ℃, P(H2)/P(H2O) 값에 따른 Zircaloy-4의 반응결과

표 425 ℃, P(H2)/P(H2O) 값에 따른 Zircaloy-4의 반응결과

표 400 ℃, P(H2)/P(H2O) 값에 따른 Zircaloy-4의 반응결과

표 SEM 사진: 산화막에 형성된 반경방향 crack실험조건: 500 ℃, P(H2)/P(H2O)=103

표 SEM 사진: 산화막에 형성된 반경방향 crack실험조건: 450 ℃, P(H2)/P(H2O)=103

표 SEM 사진: 산화막에 형성된 반경방향 crack실험조건: 4250 ℃, P(H2)/P(H2O)=103

표 SEM 사진: 산화막에 형성된 반경방향 crack실험조건: 400 ℃, P(H2)/P(H2O)=103

표 수소화율에 대한 아레니우스 플롯

표 지르코늄 합금의 화학조성표

표 인장시험시 발생할 수 있는 측정오차

표 하나로 1차 조사시험 및 조사시편 열화성능시험 매트릭스

표 Zircaloy-4의 기계적 물성

표 ZIRLO의 기계적 물성

표 MATPRO library 탄성계수와 Present Study 탄성계수 비교

표 CSA data 탄성계수와 Present Study 탄성계수 비교

표 MATPRO, ASTM B352와 Present study의 UTS, YS 비교

표 (a) 완전정합성(Fully coherent) H/Zr1

표 강화메커니즘 변화에 따른 항복강도 변화

표 냉각시간에 따른 응력-변형률 곡선 1) GP 구역, 2) ′-phase 석출

표 시편 열처리 내역 도식화

표 수소화 인장시편 도면

표 Gas diffusion apparatus 장치 개략도

표 만능 재료 시험기 (Instron 모델 5582)

표 Zircaloy-4 응력-변형률 곡선

표 ZILRO의 응력-변형률 곡선

표 지르코늄합금의 수소함유량에 따른 탄성계수의 변화

표 응력-변형률곡선에서 Zircaloy-4 탄성계수 변화.

표 응력-변형률곡선에서ZIRLO의 탄성계수 변화.

표 ANL 최대인장강도 실험값과 계산값 비교

표 지르코늄합금의 수소함유량에 따른 최대인장강도의 변화

표 응력-변형률곡선에서 Zircaloy-4의 최대 인장강도 변화

표 응력-변형률곡선에서 ZIRLO의 최대 인장강도 변화

표 수소함유량에 따른 항복강도와 최대인장강도의 변화 (a) 25 ℃ (b)350 ℃ (c) 480 ℃ (d) 균일연신율 At-axiatl test, HT- hoop test (M. Le Saux et al.)

표 인장속도와 수소함유량에 따른 항복강도와 최대인장강도의 변화(M. Grange et al.)

표 ZIRLO 수소화 시편의 소성거동(Log-Log scale) 및 offset 값에 따른 항복강도 차이

표 수소함유량이 링 인장시험에서 최대인장강도와 연신율에 미치는 영향 (Myung Ho Lee et al.)

표 수소함유량이 지르코늄합금의 최대인장강도에 미치는 영향 (S. J. Oh et al.)

표 Zircaloy-4 시편 basal (0002) 극 분포 (XRD - pole figure)

표 기울기 각에 따른 Zircaloy-4 시편의 basal 극 강도(intensity)

표 ZILRO 시편 basal (0002) 극 분포 (XRD - pole figure)

표 기울기 각에 따른 ZILRO 시편 basal 극 강도(intensity)

표 ANL 항복강도 실험값과 계산값 비교

표 지르코늄합금의 수소함유량에 따른 항복강도의 변화

표 응력-변형률곡선에서 Zirclaoy-4의 항복응력 변화

표 응력-변형률곡선에서 ZIRLO의 항복응력 변화

표 수소함유량에 따른 연신율 변화 (S.J. Oh et al.)

표 Zircaloy-4의 SEM 파단면 (x1000)

표 Zircaloy-4의 SEM 파단면 (x1000)

표 ZIRLO의 SEM 파단면 (x1000)

표 ZIRLO의 SEM 파단면 (x1000)

표 지연수소화균열 진행 과정.균열선단에 응력이 가해짐(맨위), 균열선단으로의 수소 이동 및 수소화물 석출(가운데) 수소화물에 의한 파단과 균열 성장(맨아래)

표 지연수소화균열 현상에 대한 균열 속도와 응력세기계수와의 관계

표 시차주사 열량측정법을 통해 관찰한 지르코늄 합금 내 수소 고용도의 이력현상

표 동적 탄성률 측정을 이용한 Zr-2.5Nb의 수소 고용도

표 250 ℃에서 측정한 실험 전 최대온도에 따른 CANDU 압력관의 지연수소화균열 속도

표 지연수소화균열 속도의 온도 의존성

표 Crack growth rates versus yield stress of the matrix at 300 ℃. The maximum crack growth rate is increased as the yield strength of the matrix is increased.

표 균열선단에서의 수소화물 성장과 기지 내의 수소화물의 용해

표 Diagram illustrating how the DC between the bulk and a crack tip is determined by the undercooling temperature where the crack tip concentration is fixed as the TSSD at the test temperature of 250 ℃ and the bulk concentration is reduced to the TSSP depending on the undercooling temperature.

표 Zr-2.5Nb tube의 미세구조 (a) 고 항복강도 (b) 저 항복강도

표 Dependency of the critical zone length at the crack tip on cracking of the hydrides and the yield strength: (a) a wide plastic zone without cracking of hydrides, (b) a smaller critical plastic zone (or small striation spacing (SS)) due to a higher yield strength and (c) a comparatively larger critical plastic zone (larger striation spacing (SS)) due to a lower yield strength. Here, the critical zone length corresponds to part of the plastic zone where the hydrides can grow to a critical hydride length (or lc) under the ΔC.

표 비조사된 Zr-2.5Nb 튜브 지연수소화균열의 온도 의존성

표 비조사된 Zr-2.5Nb 튜브에 나타나는줄무늬선(striation spacing)의 온도의존성

표 Gradual decrease in the ∆ corresponding to the TSSP-TSSD in Zr-2.5Nb tube with temperature in excess of 350 ℃

$X-ray diffraction analyses of (a) the bulk region at a distance of 20mm from the crack tip and of (b) the crack tip in the water-quenched Zr-2.5Nb specimens subjected to a DHC test at 250 ℃.$ 표 X-ray diffraction analyses of (a) the bulk region at a distance of 20mm from the crack tip and of (b) the crack tip in the water-quenched Zr-2.5Nb specimens subjected to a DHC test at 250 ℃.

표 Specimen design: the spark-eroded crack has the dimension 0.2 by 2mm2. The filled dots represent the position of the welded measuring electrodes for potential drop. The arrows indicate the positioning of the applied load.

표 Nominal dimensions of the PLT-specimens. Specimen is characterized by an effective notch length      , where  and  are the notch lengths at Sides A and B, respectively. The mark "M" at the specimen surface indicates the desired crack length for fatigue pre-cracking.

표 (a) PLT-fixtures for specimen length of 9 mm and 13 mm, (b) electrical connections for potential drop measurements on the PLT-specimen

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