Characterization of nuclear fuel rod cladding zirconium alloys

Abstract

Zirkonyum alaşımları seçkin özellikleri ile nükleer endüstrisi için oldukça önemlidir. Gelişmiş mekanik ve fiziksel özellikleriyle Zircaloy-4 en çok bilinen zirkonyum alaşımıdır. Zirkonyum alaşımları birçok yöntemle üretiliyor olmasına rağmen kullanım kolaylığı ve ucuzluğu sebebiyle bu çalışmada soğuk haddeleme tercih edilmiştir. Bu çalışmada, ısıl işlem ve soğuk haddelemenin fiziksel ve mekanik özellikler üzerine etkilerini belirlemek için Zircaloy-4 çubuklara ısıl işlem ve farklı düşürme oranlarında (%15, %30, %45, %60 ve %75) soğuk haddeleme uygulanmıştır.Faz analizi için X-ışını kırınım cihazı (XRD), yüzey analizi için atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve yüzey pürüzlülüğü test cihazı, kırık yüzey görüntüsü çalışmaları için taramalı elektron mikroskobu (SEM), element analizi için enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) ve mikroyapıyı incelemek için optik mikroskop kullanılmıştır. Mekanik özelliklerin araştırılması içinse üniversal mekanik test cihazı (UMT) ve mikro Vickers test cihazı kullanılmıştır.Düşürme oranının artışıyla sertliğin arttığı tespit edilmiştir. Sertlikteki artış kırılmanın sünekten gevreğe dönüşmesine sebep olmuştur. Yüzey pürüzlülüğü, düşürme oranının artışıyla azalmıştır. Yüzey pürüzlülüğü azaldıkça oksijen soğurma da azalmıştır. Soğurulan oksijen arayer pozisyonlarında çözündüğü için yeni bir faz oluşturmamıştır. Bütün numunelerde sadece Zr-α fazı bulunmaktadır.Anahtar Kelimeler: Zirkonyum alaşımları, Zircaloy-4, nükleer yakıt zarfı, soğuk haddeleme, yüzey pürüzlülüğü, mekanik özellikler.

Zirconium alloys are very important for nuclear industry with their outstanding features. Due to enhanced mechanical and physical properties, Zircaloy-4 is the most popular zirconium alloy. Although zirconium alloys are produced by many techniques, cold rolling has been chosen for this study owing to its ease of use and cheapness. In this study, Zircaloy-4 rods are heat treated and cold rolled to different (15%, 30%, 45%, 60%, and 75%) reduction ratios to determine the effect of heat treatment and cold rolling on physical and mechanical properties.X-ray diffractometer (XRD) is used for phase analysis, atomic force microscope (AFM) and surface roughness tester are used for surface analysis, scanning electron microscope (SEM) is used for fractography study, energy dispersive spectroscope (EDS) is used for elemental analysis, and optical microscope is used to examine the microstructure. Mechanical properties are investigated using universal mechanical tester (UMT) and micro Vickers hardness tester.It is found that hardness increased with increasing reduction ratio. Increase in hardness altered the fracture from ductile to brittle. Surface roughness decreased with increasing reduction ratio. Oxygen absorption decreased with decreasing surface roughness. Absorbed oxygen did not create a new phase due to dissolving in interstitial positions. There is only Zr-α phase in all samples.Keywords: Zirconium alloys, Zircaloy-4, nuclear fuel cladding, cold rolling, surface roughness, mechanical properties.