Reaction kinetics of Zircaloy-4 in a 25% O2/75% Ar gas mixture from 900 to 15000C under isothermal conditions
Creators
- 1. Japan Atomic Energy Research Inst., Tokai, Ibaraki
Description
The reaction kinetics of Zircaloy-4 in oxygen and argon were determined by isothermal oxidation tests of cladding specimens at temperatures from 900 to 15000C for times between 2 and 60 minutes. In this temperature range the oxidation reaction obeys a parabolic rate law. A discontinuity in the temperature dependence of the reaction rate was observed between 1000 and 11000C, which may be attributed to an allotropic phase transformation of the ZrO2. The equations describing the temperature dependence of the parabolic rate constants for mass increase, ZrO2 oxide layer growth and (ZrO2 + α-Zr(0)) double layer growth were determined. No significant difference was seen between the oxidation rate equations obtained in the present study and those obtained in the Zircaloy-4/steam oxidation experiments. Changing the oxygen concentration in the gas mixture from 10 to 100 vol% does not affect the oxidation kinetics of Zircaloy-4. Finally, an evaluation was made of the temperature measured in the MONA experiments (UO2/Zircaloy-4 interaction experiments under oxidizing conditions) using the reaction kinetics for oxide layer growth obtained in the present experiments. The comparison of the ZrO2 oxide layer thickness for certain time-temperature curves shows that the temperatures in the MONA tests determined, using a pyrometer, were 25 to 700C below the actual test temperature in the temperature range from 1000 to 14000C. (orig.)
Availability note (English)
MF available from INIS under the Report Number.Abstract (German)
Im Temperaturbereich von 900 bis 15000C wurde die Reaktionskinetik zwischen Zircaloy-4 und einem Sauerstoff-/Argon-Gasgemisch in isothermen Versuchen bestimmt. Die Reaktionszeit variierte zwischen 2 und 60 Minuten. In dem untersuchten Temperaturbereich erfolgt die Oxidation nach einem parabolischen Zeitgesetz. Die Temperaturabhaengigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit zeigt eine Unstetigkeit zwischen 1000 und 11000C, die sehr wahrscheinlich durch eine allotrope Phasenumwandlung des ZrO2 verursacht wird. Es wurden die temperaturabhaengigen Reaktionsgleichungen fuer die Gewichtszunahme sowie fuer das Wachstum der ZrO2-Oxidschicht und der (ZrO2 + α-Zr(0))-Doppelschicht bestimmt. Zwischen den in dieser Arbeit bestimmten Reaktionsgleichungen und denen von Zircaloy/Wasserdampf Oxidationsexperimenten bestehen keine wesentlichen Unterschiede. Die Oxidationskinetik von Zircaloy haengt nicht vom Sauerstoffgehalt der untersuchten Gasmischungen (10 bis 100 Vol.%) ab. Ziel der Experimente war es, u.a. die in den MONA-Experimenten (UO2/Zircaloy-4-Reaktionsexperimente unter oxidierenden Versuchsbedingungen) mit einem Pyrometer gemessenen Temperaturen zu ueberpruefen. Es wurden daher die Oxidschichtdicken der MONA-Experimente mit denen in dieser Arbeit ermittelten Werten fuer bestimmte Temperatur-Zeit-Kombinationen verglichen. Dabei zeigte sich, dass die in den MONA-Versuchen gemessenen Temperaturen im Temperaturbereich von 1000 bis 14000C ca 25 bis 700C unterhalb der tatsaechlichen Probentemperaturen lagen. (orig.)
Files
Restricted
The record is publicly accessible, but files are restricted to users with access.
Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 53 p.
- Report number
- KFK--3917
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 17035419
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE; S22: GENERAL STUDIES OF NUCLEAR REACTORS;
- Descriptors DEI
- ALLOY-ZR98SN-4; ARGON; CHEMICAL REACTION KINETICS; FUEL CANS; FUEL-CLADDING INTERACTIONS; LAYERS; OXIDATION; OXYGEN; PHASE TRANSFORMATIONS; PHOTOMICROGRAPHY; QUANTITY RATIO; TEMPERATURE DEPENDENCE; THICKNESS; TIME DEPENDENCE; URANIUM DIOXIDE; VERY HIGH TEMPERATURE; ZIRCONIUM OXIDES
- Descriptors DEC
- ACTINIDE COMPOUNDS; ALLOYS; CHALCOGENIDES; CHEMICAL REACTIONS; CHROMIUM ADDITIONS; CORROSION RESISTANT ALLOYS; DIMENSIONS; ELEMENTS; HEAT RESISTING ALLOYS; IRON ADDITIONS; KINETICS; NONMETALS; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; PHOTOGRAPHY; RARE GASES; REACTION KINETICS; TIN ALLOYS; TRANSITION ELEMENT COMPOUNDS; URANIUM COMPOUNDS; URANIUM OXIDES; ZIRCALOY; ZIRCONIUM ALLOYS; ZIRCONIUM BASE ALLOYS; ZIRCONIUM COMPOUNDS