UO2/Zircaloy-4 chemical interactions and reaction kinetics from 1000 to 17000C under isothermal conditions
Description
Chemical interactions up to the melting point of zircaloy (Zry) are described. Out-of-pile experiments have been performed to investigate the chemical interaction behavior under possible severe fuel damage conditions. The tests were conducted in inert gas (1 to 80 bar) with 10-cm long Zry cladding specimens filled with UO2 pellets. The extent of the chemical reaction depends decisively on whether or not good contact between UO2 and Zry has been established. If solid contact exists, Zry reduces in the UO2 to form oxygen-stabilized α-Zr(O) and U metal. The U reacts with Zry low in oxygen to form a (U,Zr) alloy rich in U. The liquid (U,Zr) alloy lies between two α-Zr(O) layers. The affinity of Zr for O2, which results in an O2 gradient across the cladding, is the driving force for the reaction. The UO2/Zry reaction obeys a parabolic rate law. The degree of chemical interaction is determined by the extent of oxygen diffusion into the classing, and hence by the temperature and time. The growth of the reaction layers can be represented in an Arrhenius diagram. the UO2/Zry-4 reaction occurs as rapidly as the steam/Zry-4 reaction above about 11000C. The maximum measured O2 content of the cladding is about 6 wt.%. Up to about 9 vol.% of the UO2 can be chemically dissolved by Zry. In an actual fuel rod, complete release of the volatile fission products in this region of the fuel must therefore be assumed. (orig./HP)
Availability note (English)
MF available from INIS under the Report Number.Abstract (German)
Die chemischen Wechselwirkungen bis zum Schmelzpunkt von Zircaloy (Zry) werden beschrieben. Es wurden out-of-pile Experimente unter moeglichen SFD (Severe Fuel Damage)-Bedingungen durchgefuehrt, um das Reaktionsverhalten zu studieren. Die Experimente erfolgten mit ca. 10 cm langen Huellrohrproben, die mit UO2-Pellets gefuellt waren, unter inerten Bedingungen (1 bis 80 bar). Das Ausmass der chemischen Wechselwirkungen haengt entscheidend davon ab, ob ein guter Festkoerperkontakt zwischen UO2 und Zry besteht oder nicht. Falls direkter Kontakt besteht, wird das UO2 durch das Zry unter Bildung von sauerstoffstabilisiertem α-Zr(O) und Uranmetall reduziert. Das Uran reagiert mit sauerstoffarmem Zr unter Bildung einer (U,Zr)-Legierung. Die fluessige (U,Zr)-Legierung liegt zwischen zwei α-Zr(O)-Reaktionsschichten. Die Affinitaet des Zr zum O2 ist die Triebkraft fuer die chemischen Wechselwirkungen und fuehrt zu einem O2-Gradienten im Huellrohrquerschnitt. Die Reaktionen zwischen UO2 und Zry verlaufen nach einem parabolischen Zeitgesetz. Der Reaktionsumfang wird durch das Ausmass der O2-Diffusion in das Huellmaterial bestimmt und haengt von der Temperatur und Zeit ab. Das Wachstum der Reaktionsschichten kann in einem Arrheniusdiagramm dargestellt werden. Die UO2/Zry-Reaktionen verlaufen oberhalb etwa 11000C genau so schnell wie die Zry/Wasserdampf-Reaktion. Das Ausmass der Wechselwirkungen ist bei 14000C oberhalb etwa 10 bar und bei 17000C oberhalb etwa 5 bar unabhaengig vom aeusseren Druck. Der maximal gemessene O2-Gehalt in der Huelle betraegt ungefaehr 6 Gew.%, was einem nahezu gesaettigten α-Zr(O) entspricht. Bis etwa 9 Vol.% des UO2 werden durch das Zry chemisch aufgeloest. In einem Brennstab muss daher mit einer vollstaendigen Freisetzung der fluechtigen Spaltprodukte aus diesem Brennstoffbereich gerechnet werden. (orig./HP)
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Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 109 p.
- Report number
- KFK--3552
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 15028575
- Subject category
- S21: SPECIFIC NUCLEAR REACTORS AND ASSOCIATED PLANTS; S21: SPECIFIC NUCLEAR REACTORS AND ASSOCIATED PLANTS;
- Descriptors DEI
- ALLOY-ZR98SN-4; CHEMICAL REACTION KINETICS; FUEL-CLADDING INTERACTIONS; ISOTHERMAL PROCESSES; MELTDOWN; MELTING POINTS; REACTOR SAFETY EXPERIMENTS; TEMPERATURE DEPENDENCE; URANIUM DIOXIDE; VERY HIGH TEMPERATURE
- Descriptors DEC
- ACCIDENTS; ACTINIDE COMPOUNDS; ALLOYS; CHALCOGENIDES; CHROMIUM ADDITIONS; CORROSION RESISTANT ALLOYS; HEAT RESISTING ALLOYS; IRON ADDITIONS; KINETICS; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; PHYSICAL PROPERTIES; REACTION KINETICS; REACTOR ACCIDENTS; THERMODYNAMIC PROPERTIES; TIN ALLOYS; TRANSITION TEMPERATURE; URANIUM COMPOUNDS; URANIUM OXIDES; ZIRCALOY; ZIRCONIUM ALLOYS; ZIRCONIUM BASE ALLOYS