Effect of High Temperature Steam Oxidation on Yielding of Zircaloy-4 PWR Fuel Cladding -Expanding Copper Mandrel Test-

가압경수형 핵연료 피복관 지르칼로이-4의 항복현상에 대한 고온 수증기 산화의 영향 -구리 맨드렐 팽창시험법-

With the Zircaloy-4 tube oxidized in high temperature (1323 K) steam for 5, 10, 30 and 60 minutes, the expanding copper mandrel test was carried out over a temperature range of 673-l173k at $\varepsilon\;=\;3.0\times10^5S\;^1$. The oxidation parameters $(K_i)$ in the present study were linearly proportional to square root of time $(Ki= \delta_{kit})$ and their rate constants ($\delta_{ki}$) are 0.281, 2.82, and 2.313 for weight gain and thickness of Zr02 and $\alpha$(0) layer, respectively. Activation energy for high temperature (873-1073k) plastic deformation of Zircaloy-4 increases from 251 KJ/mol to 323 KJ/mol with increase in oxidation time from 5 minutes to 60 minutes due to the high strengthened Zr02. With the oxide layer thickness [K ; expressed in "Equivalent Cladding Reacted" (ECR,%)] and the yield stress obtained from the mandrel test, an empirical relation was derived as ($\sigma/C)^n=K^mexp$ (Q/RT) with n=6.9, m=5.7, C=0.155, 0.138, 0.051, and 0.046 MPa for Q=251, 258, 316, 323 KJ/mol, respectively.

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.