Published September 1988 | Version v1
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Interaction between aluminium oxide pellets and Zircaloy tubes in steam atmospheres at temperatures above 12000C

Description

The burnable poison rods in light water reactors (LWR) consist of Al2O3/B4C pellets surrounded by Zircaloy-4 cladding tubes. In the Al2O3/B4C pellets of a LWR rod alumina is the main constituent (98.6 wt.-%) whereas boron carbide acts as neutron absorber. Failure of the Al2O3/Zircaloy test rods started at 13500C when first droplets of molten material were observed running down the test bundle forming bundle blockages upon solidification. Post test examinations revealed that the process of liquefaction was initiated by a reduction of alumina by Zircaloy resulting in a (Zr, Al, O) melt which decomposed on cooldown into two metallic phases, a (Zr, Al) alloy and oxygen-stabilized a-Zr(O). The components of an extremely porous ceramic melt were also Zr, Al, and oxygen but with a higher oxygen content compared to the metallic melt. The ceramic melt decomposes on cooldown into an Al2O3/ZrO2 eutectic with various amounts of primary constituents. Other types of relocated material were due to melting of essentially unreacted Zircaloy cladding and to debris formation by fracturing of oxidized cladding and Al2O3 pellets stack residues. The interactions between Al2O3 and Zircaloy occurring in a burnable poison rod are furthermore important for the behavior of the entire LWR core because the generated metals are able to attack the UO2 chemically and dissolve or liquefy the fuel even below the melting point of Zircaloy (17600C). As a result, fuel elements which contain burnable poison rods are expected to fail under severe accident conditions at about 15000C. (orig./HP)

Availability note (English)

MF available from INIS under the Report Number.

Abstract (German)

Das Verhalten von Kernreaktorstaeben mit abbrennbaren Giften (engl.: burnable poison rods) wurde bei hohen Temperaturen untersucht. Diese Art von Staeben, die in einigen Leichtwasserreaktoren (LWR) eingesetzt sind, bestehen vorwiegend aus Al2O3 (98,6 Gew.-%) und aus Borkarbid (B4C) in Tablettenform. Dabei wirkt das Borkarbid als Neutronenabsorber. Die Al2O3/B4C-Pellets sind in Huellrohre aus Zirkaloy-4 eingefuellt. Das Versagen der Al2O3/Zirkaloy-Staebe begann bei ca. 13500C, wie erste herabfallende Schmelztropfen anhand von Videoaufnahmen waehrend der Versuche erkennen liessen. Wie die Nachuntersuchungen der beiden Versuchsbuendel zeigten, wurde die Entstehung von schmelzfluessigen Phasen durch die Reduktion des Al2O3 zu Al mittels Zirkonium ausgeloest. Dadurch entstand eine Schmelze aus (Zr, Al, O), die bei der Abkuehlung in zwei metallische Phasen, eine (Zr, Al)-Legierung und eine sauerstoffstabilisierte a-Zr(O)-Phase zerfiel. Die Komponenten einer extrem poroesen keramischen Schmelze waren ebenfalls Zr, Al und O, waehrend diese bei der eutektischen Erstarrung in ZrO2, Al2O3 und unterschiedliche Anteile von Primaerkristallen zerfiel. Weitere Materialverlagerungen ergaben sich aus dem Abschmelzen von im wesentlichen unveraendertem Huellrohrmaterial und der Bildung eines Schuettbetts aus Resten oxidierter Huellrohre und Al2O3-Bruchstuecke. (orig./HP)

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Subtitle (English)
Posttest results from the CORA tests B and C

Publishing Information

Imprint Pagination
179 p.
Report number
KFK--4313