Logo EMERG

FATIGUE TESTS ON SEU-43 ZIRCALOY-4 TUBES AT 350°C

Vol. 5, Issue 12, pp.34-43 (2019), DOI: 10.37410/EMERG.2019.12.04
Valentin OLARU, Viorel IONESCU, Dragos IONESCU, Alexandru NITU, Alexandra ION, Florea VOICU

Abstract

În prezent, reactoarele de tip CANDU utilizează un fascicul de combustibil alcătuit din 37 de teci umplute cu pastile de uraniu natural. Funcționalitatea combustibilului actual la gradele de ardere extinse nu oferă performanța dorită. Din acest motiv, a fost propus un nou concept de fascicul de combustibil, numit SEU-43. Acest nou concept utilizează uraniu cu un grad scăzut de îmbogățire, obținut prin reprocesarea combustibilului ars în LWR-uri. Fasciculul de combustibil SEU-43 reprezintă o evoluție a fasciculului standard de combustibil CANDU cu 37 de elemente. Lucrarea prezintă testarea probelor prelucrate din tuburile de Zicaloy-4 (stare metalurgica "as-received"), utilizate în compoziția fasciculului de combustibil CANDU SEU-43. Aceste teste sunt destinate să simuleze comportamentul lor într-un proces de ciclaj a energiei în interiorul reactorului. Procesul de testare este de tip oligociclic, efectuat în afara reactorului, pe eșantioane "C-ring", prelevate pe direcția transversală. Aceste probe sunt testate la o amplitudine a deformarii totale de 1%, 2% și 3%, la o temperatură de 350°C. Pentru a determina amplitudinea deformarii pentru ambele tipuri de tuburi (diametru mic și mare), trebuie făcută o simulare numerică, folosind codul numeric comercial cu elemente finite ANSYS, rezultând un set de curbe de calibrare. Curbele sunt dependente de starea metalurgică, precum și de caracteristicile mecanice și microstructurale ale materialului. Pentru determinarea proprietăților mecanice, testele de tracțiune au fost efectuate pe eșantioane din Zircaloy-4 (probe de tip "ring-test") la o temperatură de 350°C. Rezultatele testelor de oboseală sunt sub forma unei curbe de durabilitate (N-ε) pentru teci de Zircaloy-4 utilizate în fasciculul de combustibil SEU-43. Curba este determinată de dependența experimentală dintre numărul de cicluri până la fisură și amplitudinea totala a deformării. Testele mecanice de oboseală oligociclice, efectuate la 350°C, împreună cu analizele microscopice electronice și analizele microscopice de graunte au reflectat comportamentul caracteristic al aliajului Zircaloy-4 în condițiile de mediu date.

Presently, the CANDU type reactors use a fuel bundle made up of 37 rods filled with natural uranium pellets. The functionality of the current fuel at extended burn degrees doesn’t offer the desired performance. Because of this fact, a new fuel bundle concept, named SEU-43, was proposed. This new concept uses low enriched uranium, obtained from the reprocessing of burnt fuel in LWRs. The SEU-43 fuel bundle represents an evolution of the standard CANDU fuel bundle with 37 elements.
The paper presents the testing of samples worked from Zicaloy-4 tubes (“as-received’’ metallurgical state), utilized in the composition of the CANDU SEU-43 fuel bundle. These tests are intended to simulate their behaviour in a power cycling process inside the reactor. The testing process is of low cycle fatigue type, done outside of the reactor, on “C-ring” samples, cut along the transversal direction. These samples are tested at 1%, 2% and 3% amplitude deformation, at a temperature of 350°C. To determine the amplitude deformation for both types of tube (small and big diameter), a numerical simulation must be done, using the finite element analysis in the ANSYS commercial computer code, resulting in a set of calibration curves. The curves are dependent on the metallurgical state, as well as on the mechanical and microstructural characteristics of the material. For determining mechanical properties, tensile tests were done on Zircaloy-4 samples (“ring tensile test” samples) at a temperature of 350°C.
The fatigue test results are in the form of a fatigue life curve (N-ε) for Zircaloy-4 used in the SEU-43 fuel bundle. The curve is determined by the experimental dependency between the number of cycles to fracture and the deformation amplitude. The low cycle fatigue mechanical tests, done at 350°C, together with electronic microscopy analyses and microscopic grain analyses have reflected the characteristic behaviour of the zircaloy-4 metal in the given environmental conditions.

Keywords

low cycle fatigue, SEU-43, 350°C, ANSYS computer code

Read the article

Contact

Headquarters
Lacul Tei Bvd. #1-3, sector 2, 020371, Bucharest

emerg@cnr-cme.ro
secretariat@cnr-cme.ro
+40372.821.475
www.emerg.ro
ISSN 2668-7003
ISSN-L 2457-5011

See on Google Maps

© 2021 EMERG, All rights reserved.