dc.contributor.advisor | Ergün, Şule | |
dc.contributor.author | Toker, Mehmet Cem | |
dc.date.accessioned | 2020-12-11T11:27:11Z | |
dc.date.issued | 2020 | |
dc.date.submitted | 2020-10-01 | |
dc.identifier.citation | Toker, M. C. (2020). Hidrojenin Zircaloy-4 Alaşımının Mekanik Davranışı Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi. yüksek lisans tezi, Hacettepe Üniversitesi, Ankara. | tr_TR |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11655/23167 | |
dc.description.abstract | Zirconium alloys are used as fuel cladding material in Light Water Reactors (LWR) and
act as the first barrier to fission product release by physically separating uranium oxide
fuel pellets and primary coolant.
During the operation of the reactor, the surface of the cladding reacts with water to form
an oxide film layer on the surface. This reaction also produces hydrogen, which has
important consequences for steady state and accident situations. Hydrogen can spread
from the metal-oxide interface to the matrix due to its small atomic size. In cladding,
hydride precipitation occurs above the solubility limit. Hydrides are fragile and can reduce
the ductility of the cladding. Exothermic character of the reaction at higher temperatures
leads to faster reaction speed. Although the mechanical behavior of zirconium alloys as a
function of temperature and the strong effect of hydrogen on the fracture behavior of
iv
zirconium alloys are relatively well established, relatively little is known about the effects
of hydrogen (and the resulting hydrides) on mechanical behavior.
Recent findings have made it clear that hydrogen plays an important role in the
embrittlement of zirconium-based alloys and therefore must be correctly estimated with
fuel performance codes to assess the condition of the fuel rods after various design-based
accidents. The potential presence of such effects is particularly important for high
combustion fuel where hydrogen uptake within the fuel cladding can be significant. The
mechanical behavior is one of the critical inputs for fuel modeling codes, and therefore a
mechanical understanding of the deformation behavior is critical for reactor safety.
In this study, Zircaloy-4 type zirconium-based fuel cladding material, which is frequently
used in pressurized water reactors (PWR), is modeled as a one-dimensional cylinder with
the HUNEM-1.0 fuel performance code which is developed in this study. In the model, the
time-dependent diffusion coefficient and mass gain of oxygen were first calculated and
then the oxide displacement model was developed with oxide metal interface
temperatures. An oxide thickness was determined by including the effect of heat flux,
temperature gradient, rapid neutron flux and coolant chemistry. Finally, the mechanical
and also the deformation behavior of the Zircaloy-4 alloy in terms of the hydrogen
concentration was modeled with the help of empirical correlations by HUNEM-1.0 fuel
performance code through the correlations obtained from the literature with the thickness
of the metal-oxide interface and the hydrogen collected in the alloy. In order to verify some
of the HUNEM-1.0 fuel performance code outputs, a similar cylindrical fuel rod in one
dimension was modeled with the FRAPCON-3.4 fuel performance code and the results
were evaluated.
As a result of the study, it has been shown that the effect of the hydrogen concentration
on the mechanical and therefore deformation behavior of the surface of the zirconiumbased Zircaloy-4 alloy in contact with the coolant is reasonably low under normal operating
conditions. | tr_TR |
dc.language.iso | tur | tr_TR |
dc.publisher | Fen Bilimleri Enstitüsü | tr_TR |
dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | tr_TR |
dc.subject | Zirkonyum Alaşımları | tr_TR |
dc.subject | Hidrojen birikimi | tr_TR |
dc.subject | Nükleer Yakıt Çubuklarının Mekanik Davranışı | tr_TR |
dc.subject | Zirconium Alloys | tr_TR |
dc.subject | Hydrogen concentration | tr_TR |
dc.subject | Mechanical behavior | tr_TR |
dc.subject | Nuclear fuel cladding | tr_TR |
dc.subject.lcsh | Nükleer enerji mühendisliği | tr_TR |
dc.title | Hidrojenin Zircaloy-4 Alaşımının Mekanik Davranışı Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi | tr_TR |
dc.title.alternative | The Effect of Hydrogen on The Mechanıcal Behavıor of Zırcaloy-4 Alloy | |
dc.type | info:eu-repo/semantics/masterThesis | tr_TR |
dc.description.ozet | Zirkonyum alaşımları hafif su soğutmalı reaktörlerde (LWR) yakıt zarf malzemesi olarak
kullanılır ve uranyum oksit yakıt peletlerini ve birincil soğutucuyu fiziksel olarak ayırarak
fizyon ürün salımının önündeki ilk engel görevi görür.
Reaktörün çalışması sırasında, yakıt zarfının yüzeyi su ile reaksiyona girerek yüzeyde bir
oksit filmi tabakası oluşturur. Bu reaksiyon ayrıca kararlı durum ve kaza durumları için
önemli sonuçları olan hidrojen üretilmesine sebep olur. Hidrojen, küçük atom boyutundan
dolayı, metal-oksit arayüzünden matrise yayılabilir veya çözünürlük sınırının üzerinde
hidrit çökelmesi meydana gelebilir. Hidritler yapısı gereği kırılgandır ve zirkonyum esaslı
alaşımın elastik davranışını azaltır. Buna ek olarak yüksek sıcaklıklarda reaksiyonun
ekzotermik karakteri daha hızlı reaksiyon hızına yol açar. Her ne kadar sıcaklığın ve
basıncın zirkonyum alaşımlarının mekanik davranışı üzerindeki güçlü etkisi oldukça iyi
belirlenmiş olsa da hidrojenin (ve sonuçta ortaya çıkan hidritlerin) mekanik davranışı
üzerindeki etkileri hakkında nispeten az şey bilinmektedir.
ii
Son bulgular, hidrojenin zirkonyum esaslı alaşımların gevrekleşmesinde önemli bir rol
oynadığını ve yakıt performans kodlarıyla doğru tahmin edilmesi gerektiğini açıkça ortaya
koymuştur. Bu tür etkilerin potansiyel varlığı, yakıt zarfında hidrojen birikiminin önemli
olabileceği yüksek yanma oranlı yakıt için önemlidir. Mekanik davranış, yakıt modelleme
kodları için kritik girdilerden biridir ve bu nedenle deformasyon davranışının mekanik
olarak anlaşılması reaktör güvenliği için öneme sahip konulardan biridir.
Basınçlı su reaktörlerinde (PWR) sıkça kullanılan Zircaloy-4 tipi zirkonyum esaslı yakıt
zarf malzemesi bir boyutlu silindir olarak, yine bu tez çalışması kapsamında geliştirilen
“HUNEM-1.0 Yakıt Performansı Kodu” ile modellenmiştir. Modelde ilk olarak oksijenin
difüzyon katsayısı ve kütle kazanımı zamana bağlı hesaplanmış sonrasında oksit metal
arayüz sıcaklıkları ile oksit yer değiştirme modeli eksenel düzlemde geliştirilmiştir. Isı
akısı, sıcaklık değişim hızı, hızlı nötron akısı ile soğutucu kimyasının oksidasyon
kinetiğine olan etkileri de modele dahil edilerek bir oksit kalınlığı belirlenmiştir. Daha sonra
alaşım üzerinde meydana gelen metal-oksit arayüzünün kalınlığı ile alaşımda toplanan
hidrojen konsantrasyonu literatürden elde edilen korelasyonlar yoluyla HUNEM-1.0 Yakıt
Performans Kodu ile hesaplanmış olup, ampirik mekanik korelasyonlar yardımıyla,
Zircaloy-4 alaşımının hidrojen konsantrasyonuna bağlı mekanik davranışı geliştirilmiştir.
HUNEM-1.0 Yakıt Performans Kodu çıktılarının bir bölümünün doğrulanabilmesi için
FRAPCON-3.4 yakıt performans kodu ile benzer bir yakıt çubuğu modellenmiş ve
sonuçlar değerlendirilmiştir.
Bu çalışma sonucunda, zirkonyum esaslı Zircaloy-4 alaşımının soğutucu ile temas eden
yüzeyindeki hidrojen birikiminin, alaşımın mekanik ve deformasyon davranışına olan
etkisinin, başlıca gerinim sertleşmesi, elastik ve plastik davranış, sünme davranışı
bakımından normal çalışma koşulları altında çok düşük düzeylerde olduğu saptanmıştır. | tr_TR |
dc.contributor.department | Nükleer Enerji Mühendisliği | tr_TR |
dc.embargo.terms | Acik erisim | tr_TR |
dc.embargo.lift | 2020-12-11T11:27:11Z | |
dc.funding | Yok | tr_TR |