Experimental investigation of ductility assessment methods for high burnup fuel cladding and comparative analysis of ductility-based and fracture-based safety criteria

Abstract

Technical basis of establishment on acceptance criteria for emergency core cooling systems(ECCS) on high-burnup cladding is systemically studied. Two main experiments, thermal shock fracture and post-quench ductility based experiments were compared to explain discrepancy between each ECR limits of high burnup claddings. Using MARS, GIFT code, cladding temperature, stress, amount of precipitated Hydrogen during LOCA transient were calculated. During LOCA, at the timing of reflood quenching, cladding stress reaches highest point at ~ 200℃. At that critical moment, precipitated amount of Hydrogen is remained at low level due to its precipitation kinetics. In post-quench ductility experiment, ring compression test(RCT) is done at 135℃, with all the hydrogen is in precipitated state. This difference in temperature and precipitated amount of hydrogen resulted in difference of ECR limit. Detailed conditions in post-quench ductility experiments were investigated. Cooling rate before quench and quench temperature, cooling water temperature, RCT crosshead speed, RCT temperature, specimen length was systemically studied. Slow cooling rate before quench resulted in partitioning of alloying elements and longer hydride formation, which increased cladding ductility. Cooling rate during quench, controlled by subcooling of quenching water, showed limited effect on residual ductility of the cladding, while thermal shock has been strengthen by fast cooling rate with -75℃ subcooled water. Crosshead speed of 2mm/min was shown to be enough slow speed which cladding ductility is not affected by slowing down or speeding up the RCT speed. Increased RCT temperature apparently increased cladding ductility. specimen length 8mm was suggested to limit the length effect on residual ductility. Embrittlement limit of HANA and ZIRLO cladding was derived. They showed slightly lower ECR limit in 50~250wppm cladding compared to U.S.NRC draft rule, while 400wppm~650wppm cladding showed similar results with draft rule. RCT temperature shift was suggested to fill the gap between draft rule and SNU limit. RCT temperature of 185℃ was anticipated to fill the gap between two limit. With the conclusions of this study, current regulatory experimental protocols assessing leftover ductility of cladding after LOCA was revisited. Regulatory authorities should have lenient perspective on experimental conditions and methods, to make realistic regulatory criteria for emergency core cooling system.

고연소도 피복관의 비상노심냉각계통(ECCS) 허용기준에 대한 기술적 근거가 체계적으로 연구되었다. 두 가지 주요 실험인 열충격 파괴와 급냉 이후 연성 기반 실험을 비교하여 고연소도 피복관의 각 조건 하에서의 ECR 한계치 사이의 차이를 설명하였다. MARS 코드, GIFT 코드를 활용하여 피복관 온도, 응력, LOCA 상황 동안 석출된 수소의 양을 모두 계산하였다. LOCA 상황에서 재관수 급냉시 피복관의 응력은 약 200℃에서 최고점에 도달한다. 그 순간에, 수소의 석출량은 수소 석출 동역학에 의해 낮은 수준으로 유지된다. 연성 기반 실험에서는 135℃에서, 모든 수소가 석출된 상태로 고리압축시험(RCT)을 실시한다. 이러한 온도 차이(200℃와 135℃), 그리고 최대 하중 시 수소 석출량의 차이는 ECR 한계치의 차이를 초래하였다. 급냉 이후 연성 판단 기준 실험의 구체적인 실험 방법론의 절차를 살펴보았다. 급냉 전 냉각 속도, 급냉 온도, 냉각수 온도, 고리압축시험의 연신률, 고리압축시험시 온도, 시편 길이 등을 체계적으로 연구하였다. 급냉 전냉각 속도가 느릴수록, 합금 원소가 석출되고 큰 수소화물이 형성되어 클래딩 연성이 증가하였다. 급냉 냉각수의 온도에 의해 급냉시의 냉각속도가 변했으며, 상온의 급냉수의 급속냉각으로 인해 속도로 열충격이 강화되었으나, 이는 피복재의 잔류연성에 제한적인 영향을 보였다. 고리압축속도 연신률 2mm/min은 연신률을 늦추거나 빠르게 하여도 피복재 연성이 영향을 받지 않는 충분한 느린 속도인 것으로 나타났다. 고리압축온도가 증가하면, 피복관의 연성이 증가하는 것으로 나타났다. 잔류 연성에 대한 시편 길이 효과를 없애기 위해 시료 길이를 8mm로 고정하는 것이 제안되었다. HANA 및 ZIRLO 피복재의 취성 한도가 도출되었다. 수소 함량이 50~250wppm 피복관에서 ECR 한계가 미국보다 약간 낮게 나타났다. 수소 함량 400wppm ~ 650wppm 피복관은 미국 규제기관의 제한치와 유사한 결과를 보였다. RCT 온도 변화는 미국 규제기관의 제한치와 서울대 제한치 사이의 격차를 메우기 위해 제안되었다. 185℃의 RCT 온도는 두 제한치 사이의 간격을 채울 것으로 예상되었다. 이 연구의 결론으로, LOCA 이후 피복관의 잔류 연성을 평가하는 현재의 규제 실험 프로토콜이 재검토되었다. 규제 당국은 비상 노심 냉각 시스템에 대한 현실적인 규제 기준을 만들기 위해 실험 조건과 방법에 대해 관대한 시각을 가져야 할 것으로 보인다.