An Out-of-Pile Method to Investigate Iodine-induced SCC of Irradiated Cladding
Méthode hors pile d’étude de la fissuration de gaine irradiée par corrosion sous contrainte liée à la présence d’iode
1
Studsvik Nuclear AB
2
Global Nuclear Fuel (Sweden)
Pellet Cladding Interaction (PCI) during power changes can be a limiting factor for nuclear reactors operation as it can cause fuel cladding failure by Iodine-induced Stress Corrosion Cracking (ISCC) [1]. In the as-fabricated condition, there is a gap between the fuel cladding and the pellets. During reactor operation when fast power transient changes occur, the fuel experiences power ramp and the pellets expand more than the cladding, such that the gap is reduced and eventually closed. When the fuel and the cladding are in direct contact, further fuel swelling and thermal expansion produces tensile stresses in the cladding. Moreover, pellet cracking occurs causing the stress to increase locally in the cladding at the location of the cracks. ISCC initiates at locations where both the stress and the iodine content locally reach critical levels. The cracking initiates at the inner surface of the cladding and propagates towards the outer surface [2, 3].
ISCC can be investigated out of pile by means of an expanding mandrel test technique [4, 5]. In this design of the mandrel test equipment, the fuel pellet is simulated using a ceramic sheath with 4 longitudinal slits to facilitate the transport of iodine inside the cladding, which contains a Zr slug (mandrel) inserted in the center. The Zr slug is axially compressed and expands radially forcing the surrounding ceramic sheath to crack. The ceramic fragments can strain the cladding with further compression of the Zr slug.
Different versions of the mandrel technique have previously been used to test unirradiated cladding. However, previous studies show that ISCC is sensitive to the condition of the cladding inner surface as well as the material strength, thus the irradiated cladding is expected to behave differently with respect to ISCC than unirradiated cladding.
To evaluate the susceptibility to PCI failure of a given fuel rod, power ramp tests are performed in experimental reactors [2]. However, a good out of pile test to complement single ramp tests is crucial to improve the understanding of the mechanisms behind the PCI failures as well as the effect of different parameters.
Within the SCIP program3, in addition to ramp testing, a mandrel testing technique that enables out-of-pile testing of irradiated cladding has therefore been developed. The equipment is designed to investigate critical parameters that are known to affect PCI failures such as: irradiation, the strain rate, pellet performance (expansion and cracking), manufacturing (missing pellet surface) and cladding properties (texture, hardness, liner composition etc) [2].
The tests are conducted under carefully controlled environmental conditions. Ar gas (99,99%) is passed through a temperature-controlled bath with iodine crystals (reagent grade 99,8%).
The effect of the following parameters can be investigated:
- Strain rate,
- Iodine concentration,
- Oxygen potential,
- Temperature,
- Different crack pattern of the pellet or missing chip,
- Cladding properties.
The mandrel equipment at Studsvik is specially designed and installed in a hot cell to enable testing on irradiated cladding. The mandrel test technique has been qualified within SCIP using unirradiated cladding. The effects of stress/strain rate, iodine concentration and oxygen potential, on the ISCC behavior were investigated by mandrel testing coldworked non-liner Zircaloy-2 cladding materials.
After qualification of the test equipment, several tests have been performed on irradiated non-liner recrystallized Zircaloy-2 claddings. The tests were performed at a temperature of 320°C and iodine partial pressure in the range of 0 to 200 Pa. The tests were run by controlling the strain rate with an initial fast strain rate (21.6%/h) up to 0.6% strain from the initial diameter followed by a slow strain rate (0.36%/h) up to a strain of 2% and with a holding time of 20 hours or until failure. After the mandrel tests, the samples have been characterized by visual inspection, profilometry, LOM and SEM4.
The results of the irradiated recrystallized Zircaloy-2 claddings showed that in the presence of iodine partial pressures in the range of 60 to 200 Pa, ISCC occurred at 0.7-0.78% total (elastic + plastic) diametral strain. The low strain to failure as well as typical ISCC features like fluting, observed at the fractured surfaces, are consistent with previous hot cell examinations of PCI failures, and thus the new expanding mandrel technique seems promising.
Résumé
L’interaction pastille de combustible-gaine (PCI) lors des variations de puissance peut être un facteur limitant pour l’exploitation des réacteurs nucléaires car elle peut entraîner une rupture de la gaine par fissuration consécutive à de la corrosion sous contrainte due à l'iode (ISCC) [1]. En fabrication, il y a un jeu entre la gaine de combustible et les pastilles. Pendant le fonctionnement du réacteur, lorsque des changements de puissance rapides se produisent, le combustible subit une augmentation de puissance et les pastilles se dilatent de manière plus importante que la gaine, réduisant le jeu puis le supprimant totalement. Lorsque le combustible et la gaine sont en contact direct, le gonflement supplémentaire du combustible et la dilatation thermique génèrent des tensions superficielles sur la gaine. De plus, une fissuration des pastilles se produit, entraînant une augmentation locale de la contrainte dans la gaine, à l'emplacement des fissures. L'ISCC s’amorce à des emplacements où à la fois la contrainte et la teneur en iode atteignent localement des niveaux critiques. La fissuration s’amorce sur la surface intérieure de la gaine et se propage vers la surface extérieure [2, 3].
L’ISCC peut être étudiée hors pile en utilisant une technique d’essai par mandrin expansible [4, 5]. Dans ce concept d’essai par mandrin, la pastille de combustible est simulée par une gaine en céramique comportant 4 fentes longitudinales pour faciliter la migration de l’iode à l’intérieur de la gaine, dans laquelle un barreau en Zr (mandrin) a été inséré au centre. Le barreau en Zr est compressé axialement et se dilate radialement, forçant la gaine en céramique environnante à se fissurer. Les fragments de céramique peuvent déformer la gaine avec une compression supplémentaire du barreau en Zr.
Plusieurs versions de la technique du mandrin ont déjà été utilisées pour tester la gaine non irradiée. Cependant, les études précédentes montrent que l’ISCC est sensible à l’état de la surface intérieure de la gaine ainsi qu’à la résistance du matériau, ce qui signifie que la gaine irradiée devrait se comporter différemment de la gaine non irradiée en ce qui concerne l'ISCC.
Pour évaluer la possibilité d’une rupture par interaction pastille de combustible-gaine d’un crayon combustible donné, des essais de rampe de puissance sont effectués sur des réacteurs expérimentaux [2]. Cependant, un bon essai hors pile en complément des essais de rampe de puissance est essentiel pour améliorer la compréhension des mécanismes à l’origine des ruptures par interaction pastille de combustible-gaine ainsi que l'incidence des différents paramètres.
Dans le cadre du programme SCIP1, en plus d’un essai de rampe de puissance, un essai par mandrin a donc été mis au point pour permettre de réaliser un essai hors pile de gaine irradiée. Ce moyen d’essai a été conçu pour étudier les paramètres critiques identifiés comme ayant une incidence sur les ruptures par interaction pastille de combustible-gaine comme : l’irradiation, le taux de déformation, les performances des pastilles (dilatation et fissuration), la fabrication (surface de pastille manquante) et les propriétés de la gaine (texture, dureté, composition du revêtement, etc.) [2].
Les essais sont effectués dans des conditions environnementales soigneusement contrôlées. Un gaz argon (99,99 %) est injecté dans un bain contrôlé en température contenant des cristaux d’iode (qualité de réactif 99,8 %).
L’effet des paramètres suivants peut être étudié :
- Vitesse de déformation,
- Concentration d’iode,
- Potentiel d’oxygène,
- Température,
- Différents craquelages de la pastille ou de l’éclat manquant,
- Propriétés des gaines.
Le mandrin de Studsvik est spécialement conçu et installé dans une cellule chaude afin de permettre des essais sur gaines irradiées. La technique d’essai sur mandrin a été qualifiée dans le cadre du projet SCIP avec une gaine non-irradiée. L’impact de la vitesse de contrainte/déformation, de la concentration d’iode et du potentiel d’oxygène sur le comportement de l’ISCC (fissuration par corrosion sous contrainte en présence d’iode) a été étudié par des essais sur mandrin de matériaux de gainage en Zircaloy-2 écrouis et non-revêtus.
Après la qualification de l’appareillage d’essai, plusieurs essais ont été réalisés sur des gaines en Zircaloy-2 recristallisé irradiées et non-revêtues à une température de 320°C et une pression partielle d’iode entre 0 et 200 Pa. Ces essais ont été réalisés en contrôlant la vitesse de déformation avec une vitesse initiale rapide (21,6 %/h) jusqu’à une déformation de 0,6 % par rapport au diamètre initial, puis une vitesse de déformation lente (0,36 %/h) jusqu’à une déformation de 2 % maintenue 20 heures ou jusqu’à la rupture. Après les essais sur mandrin, les échantillons ont été caractérisés par contrôle visuel, profilométrie, LOM et SEM(2).
Les résultats des gaines irradiées en Zircaloy-2 recristallisé ont montré qu’en présence de pressions partielles d’iode entre 60 et 200 Pa, l’ISCC se produit à 0,7-0,78 % de la déformation totale du diamètre (élastique + plastique). Le faible rapport déformation / rupture ainsi que les caractéristiques typiques de l’ISCC, telles que les cannelures, observées sur les surfaces fissurées, sont cohérents avec les précédentes études en cellule chaude des défaillances par IPG. La nouvelle technique d’essai sur mandrin semble donc prometteuse.
© SFEN 2010