Published June 11, 2020 | Version v1
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Influence of restart conditions of nuclear power reactor on release of corrosion products and oxidation on alloy 690 steam generator tubes

Description

Steam generator tubes in pressurized water reactors are made of nickel-based alloys. The exchange surface of these tubes represents nearly 75% of the primary circuit. Due to oxidation in primary environment, corrosion products are released into the circuit. The phenomenon of release of corrosion products and their activations in the core of reactor, after neutron flux exposure, are mainly responsible for radioactive contamination of the primary circuit. The limitation of this phenomenon represents one of the major industrial issues to reduce the radiation exposure of maintenance personnel during shutdown. The controlling and modelling of such phenomenon requires a detailed understanding of release kinetics and oxide layers formed. The release and the oxide film formation, on the internal surface of 690 alloy tubes, are strongly impacted by the materials parameters of the tube, as well as by the physico-chemical conditions of the primary water. The objective of this work is to study the impact of thermal and chemical conditions during transient phases of the reactor restart after the replacement of steam generator on the release and on the formation of oxides/hydroxides. Usually, tubes are tested under conditions of nominal primary chemistry at constant high temperature. To be as representative as possible of industrial conditions, this study is carried out on an industrial tube under the conditions characteristic of a reactor restart in an experimental test loop. Fine characterizations of the internal surface of the tube are performed before and after oxidation using several techniques as profilometry, Raman, SEM-EDS, SEM-EBSD, SEM-FIB, TEM, ToF-SIMS. The native oxide layer is formed of a very thin layer (1-2 nm) of oxidized matrix, without specific enrichment. During the restart, the most critical step for the release phenomenon is revealed from 170 deg. C to 297 deg. C. In fact, the majority of the metal is released into the fluid during this step. In addition, isothermal tests, between 25 deg. C and 325 deg. C, have shown that the most significant release is around 250 deg. C. Up to 170 deg. C, a thin layer of amorphous chromium oxide is formed by selective dissolution of iron and nickel. When the temperature rises, this chromium oxide layer is not stable enough to be protective and the diffusion phenomena are activated. At 325 deg. C, the oxide does not exhibit any particular enrichment and corresponds to oxidized metal layer, an equilibrium is established and the rate of release reaches a pseudo-stationary regime. (author)

Abstract (French)

Les tubes de generateurs de vapeur des reacteurs a eau sous pression sont constitues d'alliages a base de nickel. La surface d'echange associee a ces tubes represente environ 75% du circuit primaire. En s'oxydant au contact du milieu primaire, des produits de corrosion sont relaches dans le circuit. Les phenomenes de relachement des produits de corrosion et leurs activations dans le coeur du reacteur, sous flux neutronique, sont majoritairement responsables de la contamination radioactive du circuit primaire. La limitation de ce phenomene constitue un des enjeux industriels majeurs permettant de reduire la dosimetrie du personnel de maintenance intervenant dans le batiment reacteur des centrales nucleaires. Le controle et la modelisation d'un tel processus impliquent une comprehension detaillee des cinetiques de relachement et des couches d'oxydes formees. Le relachement et la formation de la couche d'oxyde se formant a la surface interne des tubes, en alliage 690, sont fortement influences par les parametres materiaux du tube, ainsi que par les conditions physico-chimiques du milieu primaire. L'objectif de cette etude est d'etudier l'influence de l'evolution des conditions thermiques et chimiques du fluide primaire lors des phases transitoires d'un redemarrage de reacteur apres le remplacement du generateur de vapeur sur le comportement au relachement et sur la formation des oxydes/hydroxydes en peau interne des tubes. En effet, la grande majorite des etudes ont ete menees dans les conditions de fonctionnement pleine puissance d'un reacteur. Ce travail a pour but d'etre le plus representatif possible des conditions industrielles, pour cela l'etude est realisee sur un tube industriel dans les conditions caracteristiques d'un redemarrage de reacteur dans une boucle d'essai experimentale. La caracterisation fine de la surface interne du tube est effectuee avant et apres oxydation a l'aide de plusieurs techniques (profilometrie, Raman, MEB-EDS, MEB-EBSD, MEB-FIB, MET, ToF-SIMS). La couche d'oxyde natif est constituee d'une tres fine couche (1-2 nm) de matrice oxydee, sans enrichissement particulier. Au cours du redemarrage, l'etape la plus critique vis-a-vis du relachement s'est revelee etre le passage de 170 deg. C a 297 deg. C. En effet, la majorite du metal est relache dans le fluide au cours de cette etape. De plus, des essais isothermes, dans la gamme 25-325 deg. C, ont demontres que le relachement le plus important se situe autour de 250 deg. C. Jusqu'a 170 deg. C, une fine couche d'oxyde de chrome amorphe est formee par la dissolution selective du fer et du nickel. Lors de la montee en temperature, cette couche d'oxyde de chrome n'est pas suffisamment stable pour etre protectrice et les phenomenes de diffusion s'activent. A 325 deg. C, l'oxyde ne presente pas d'enrichissement particulier et correspond a une couche de metal oxyde, un equilibre s'etablit et la vitesse de relachement atteint un regime pseudo-stationnaire. (auteur)

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Original title (French)
Effets des etapes d'un redemarrage de reacteur a eau sous pression sur l'oxydation et le relachement des produit de corrosion des tubes de generateur de vapeur en alliage 690

Publishing Information

Imprint Pagination
176 p.
Report number
FRNC-TH--12506

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Notes
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