The presence of deposits on the secondary side of pressurized water reactor (PWR) steam generator systems is one of the main contributors to the high maintenance costs of these generators. Formation and transport of corrosion products formed due to the presence of impurities, metals and metallic oxides in the secondary side of the steam generator units result in formation of deposits. This research deals with understanding the deposit formation and characterization of deposits by studying the samples collected from different units in secondary side system at Comanche Peak Steam Electric Station (CPSES). Fourier transform infrared spectrophotometry (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) have been used for studying the phases, morphologies and compositions of the iron oxides formed at Unit 1 and Unit 2 of secondary side of steamgenerator systems. Hematite and magnetite were found to be the dominant phases of iron oxides present in the units. Fe, Cr, O, Ni, Si, Cl and Cu were found in samples collected from both the units. A qualitative method was developed to differentiate iron oxides using laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) based on temporal response of iron oxides to a high power laser beam. A quantitative FTIR technique was developed to identify and quantify iron oxides present in the different components of the secondary side of the steam generator of CPSES. Amines are used in water treatment to control corrosion and fouling in pressurized water reactors. CPSES presently uses an amine combination of dimethylamine (DMA), hydrazine and morpholine to control the water chemistry. Along with the abovementioned amines, this study also focuses on corrosion inhibition mechanismsof a new amine DBU (1, 8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene). Electrochemical impedance spectroscopy and polarization curves were used to study the interaction mechanism between DBU solution and inconel alloys 600 and 690 at steamgenerator operating temperatures and pressures. Of all the amines used in this study (DMA, DBU, ETA, and morpholine), DMA was more effective at keeping the passive film formed on the alloy 600 surface from failing at both ambient and high temperatures. Morpholine was found result in higher corrosion resistance compared to the other amines in case of alloy 690.

Les réacteurs nucléaires de génération III s'inscrivent dans la continuité des réacteurs à eau sous pression actuels, tout en présentant un certain nombre d'améliorations en terme de sûreté, de rendement et d'environnement.Parmi les caractéristiques de ces réacteurs, la taille importante du coeur et l'utilisation d'un réflecteur lourd se traduisent par une meilleure efficacité neutronique et une meilleure protection de la cuve.Du fait de leur grande taille, le risque de basculement de la nappe de puissance neutronique est exacerbé. Le basculement est donc un paramètre d'intérêt à prendre en compte dans les études de sûreté. Par ailleurs, le calcul de l'incertitude associée à la nappe de puissance neutronique est difficilement atteignable par les méthodes déterministes actuellement implémentées dans les codes de neutronique.Ce travail de thèse a donc porté sur le développement d'une méthode stochastique innovante de propagation des incertitudes neutroniques. Tout en étant basée sur des résultats probabilistes, elle tire parti de la puissance croissante des moyens de calcul informatique afin de parcourir tous les états du réacteur statistiquement prévus.Après avoir été validée, cette méthode a été appliquée à un benchmark de grand coeur de l'OCDE/AEN avec des valeurs de covariances issues d'une analyse critique. Ainsi, pour ce système, l'incertitude associée au facteur de multiplication effectif des neutrons keff $(1\sigma)$ vaut 638 pcm . Par ailleurs, le basculement total vaut 8.8 \% $(1\sigma)$, et l'incertitude maximale associée à l'insertion d'un groupe de barres absorbantes utilisées pour son pilotage vaut 11~\% $(1\sigma)$. / Generation III Light Water Reactors undoubtedly follow design guidelines comparable to those of current PWRs. Furthermore, they take advantage of enhanced features in terms of safety, energy efficiency, radiation protection and environment. Then, we talk about an evolutionary approach. Amongst those improvements, the significant size and the use of a heavy reflector translate into a better neutronics efficacy, leading to intrinsic enrichment benefits then to natural uranium profits. They contribute to the core vessel preservation as well.Because of their large dimensions, the neutronic bulge of this kind of reactors is emphasized. Therefore, it is a parameter of interest in the reactor safety studies. Nevertheless, the uncertainty related to the radial power map is hardly reachable by using the numerical methods implemented in the neutronics codes.Given the above, this PhD work aims to develop an innovative stochastic neutronics uncertainties propagation method. By using recent probabilistic results, it makes good use of the growing calculation means in order to explore all the physical states of the reactor statiscally foreseen.After being validated , our method has been applied to a reactor proposed in the framework of a large core OECD/NEA international benchmark with carefully chosen covariances values. Thus, for this system, the uncertainties related to the keff reaches 638~pcm $(1\sigma)$. What is more, the total bulge equals 8.8~\% $(1\sigma)$ and the maximal uncertainty related to the insertion of a group of control rods reaches 11~\% $(1\sigma)$.

Primary water stress corrosion cracking (SCC) of metals in pressurized water reactors (PWRs) is known to be one of the most challenging and cost intensive modes of failure in the nuclear industry. Even though it is known that cracking in Ni-base alloys proceeds mainly intergranular (IG), the initiation and propagation of cracks in ductile metals are not yet understood and a much-desired accurate prediction of SCC related failure seems unobtainable. In this thesis, a combination of microcantilever fracture experiments, scanning electron- (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) techniques was employed to study and compare the failure of oxidized grain boundaries of Ni-base Alloy 600 with high and low intergranular carbide coverage and different sample history. A new technique for lifting-out whole cantilevers after testing and for performing 3D focussed ion beam sequencing (3D FIB-SEM) while preserving a thin central region of the cantilever for further TEM sample preparation was developed and is presented. In lieu with recent efforts of the main project sponsor Électricité de France (EDF) to build a predictive model for IGSCC based on localized/microscopic information, one of the main objectives was the extraction of the stress at failure of individual oxidized GBs. Supported by finite element simulations, microcantilever fracture tests revealed that surface oxides on top of individual GBs have the capability to alter the mechanical response by delaying/suppressing the onset of failure. An overestimation of the failure stress (> 230 MPa) was observed, proving that the presence of the surface oxide on top of the test structures cannot be neglected. The failure stress on both samples, tested without influence of the surface oxide, was found to cover a range of 300 - 600 MPa, which agreed well with finite element simulations of the tests and further demonstrates the reliability of the obtained data. The second objective was to gain a better understanding of the observed fracture behaviour and the role of local microstructure. Using the gathered microscopy data, it was found that the crack clearly favours a progression along the IG oxide-metal interface in the presence of carbide precipitates. Electron energy loss spectroscopy (EELS) revealed that the observed crack path can be linked to compositional and density variations of the IG oxide. In the presence of carbides the oxide was layered. An oxide close to the stoichiometry of chromia was located at the original GB and next to the carbides. Next to this Cr-rich oxide, Fe-rich mixed spinel oxides of varying composition and density were found. An explanation for density variations based on the possible formation of defective spinel oxides of the type A²⁺B³⁺₂O₄, due to an unavailability of certain cation species is presented. No clear interface preference was observed in the absence of precipitation, where the IG oxide was found to be thin and often incomplete with Cr-richer oxides preferentially located at the original GB. While these observations were consistent on both samples (high and low carbide coverage), bigger void-like defects were located at the Fe-richer oxide-metal interface of the cold worked sample with high IG carbide precipitation only. These weak spots seemed to be the preferred path for crack propagation on this sample. The sample with low intergranular carbide coverage showed no obvious porosities at this interface but a Cr- depleted region was seen. Introducing a multi-faceted investigation strategy, supported by finite element simulations, the presented thesis provides the most accurate determination of the failure stress of oxidized GBs on Alloy 600 to date and and adds new valuable insights to our understanding of IGSCC and the future prediction of SCC related failures.

Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.

The presence of deposits leading to corrosion of the steam generator (SG) systems is a major contributor to operation and maintenance cost of pressurized water reactor (PWR) plants. Formation and transport of corrosion products formed due to the presence of impurities, metallic oxides and cations in the secondary side of the SG units result in formation of deposits. This research deals with the characterization of deposit samples collected from the two SG units (unit 1 and unit 2) at Comanche Peak Steam Electric Station (CPSES). X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectrophotometry (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive spectroscopy (EDS) techniques have been used for studying the compositional and structural properties of iron oxides formed in the secondary side of unit 1 and unit 2. Magnetite (Fe3O4) was found to be predominant in samples from unit 1 and maghemite (g-Fe2O3) was found to be the dominant phase in case of unit 2. An attempt has been made to customize FTIR technique for analyzing different iron oxide phases present in the deposits of PWR-SG systems.

Flow accelerated corrosion (FAC) is a major concern in the power industry as it causes thinning of the pipes by the dissolution of the passive oxide layer formed on the pipe surface. Present research deals with comparing the protection offered by the magnetite (Fe3O4) versus maghemite (γ-Fe2O3) phases thickness loss measurements. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is used in distinguishing these two elusive phases of iron oxides. Representative pipes are collected from high pressure steam extraction line of the secondary cycle of unit 2 of Comanche Peak Steam Electric Station (CPSES). Environmental scanning electron microscopy (ESEM) is used for morphological analysis. FTIR and X-ray diffraction (XRD) are used for phase analysis. Morphological analysis showed the presence of porous oxide surfaces with octahedral crystals, scallops and "chimney" like vents. FTIR revealed the predominance of maghemite at the most of the pipe sections. Results of thickness measurements indicate severe thickness loss at the bend areas (extrados) of the pipes.

Thesis (Sc.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Nuclear Engineering, 1982. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND SCIENCE. / Includes bibliographical references. / by Ronald George Ballinger. / Sc.D.

Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der im Kühlmittel von Leichtwasserreaktoren zur Reaktivitätssteuerung eingesetzten Borverbindungen auf Siedeprozesse – und damit indirekt auf die Wärmeabfuhr der Brennelemente – zu untersuchen. Bei den Siedeversuchen, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind, wurde besonders auf eine realitätsnahe Annäherung an die Reaktorparameter Wert gelegt. Als Unterstützung zur Interpretation der Ergebnisse dienten eigene Messungen von signifikanten physikalischen Stoffdaten an wässrigen Borsäure- und Pentaboratlösungen. Die Siedeprozesse wurden in einer eigens für diese Analysen konzipierten und errichteten Versuchsanlage SECA unter Verwendung eines Leitfähigkeitsgittersensors sowie einer Hochgeschwindigkeitskamera bei Drücken von maximal 40 bar und Temperaturen bis zu 250 °C untersucht. Entsprechend der in den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis wird für reale Reaktoren fol-gendes angenommen: Die Anwesenheit von Borsäure hat keinen Einfluss auf großvolumige Sie-devorgänge im betrachteten Störfallszenario eines Druckwasserreaktors, und die Auswirkungen auf das unterkühlte Sieden sind vernachlässigbar gering. Es ist nicht zu erwarten, dass der Wärmeübergang von den Brennelementen an das Kühlmittel beeinflusst wird. Bei einer Einspeisung von Pentaborat in Siedewasserreaktoren kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Wärmeübergang durch eine Verkleinerung der Blasen verbessert wird. Weitere Untersuchungen bezüglich des Austrages von Pentaborat an der Phasengrenze sowie der Bildung von Schäumen sind jedoch notwendig, und es ist den Fragen nachzugehen, ob sich diese Schäume auch bei der Einspeisung von Pentaborat in einen Siedewasserreaktor bilden können und welche Auswirkungen diese auf die oberhalb des Kerns befindlichen Dampfabscheiderzyklone und Dampftrockner haben.

Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der im Kühlmittel von Leichtwasserreaktoren zur Reaktivitätssteuerung eingesetzten Borverbindungen auf Siedeprozesse – und damit indirekt auf die Wärmeabfuhr der Brennelemente – zu untersuchen. Bei den Siedeversuchen, die Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind, wurde besonders auf eine realitätsnahe Annäherung an die Reaktorparameter Wert gelegt. Als Unterstützung zur Interpretation der Ergebnisse dienten eigene Messungen von signifikanten physikalischen Stoffdaten an wässrigen Borsäure- und Pentaboratlösungen. Die Siedeprozesse wurden in einer eigens für diese Analysen konzipierten und errichteten Versuchsanlage SECA unter Verwendung eines Leitfähigkeitsgittersensors sowie einer Hochgeschwindigkeitskamera bei Drücken von maximal 40 bar und Temperaturen bis zu 250 °C untersucht. Entsprechend der in den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis wird für reale Reaktoren fol-gendes angenommen: Die Anwesenheit von Borsäure hat keinen Einfluss auf großvolumige Sie-devorgänge im betrachteten Störfallszenario eines Druckwasserreaktors, und die Auswirkungen auf das unterkühlte Sieden sind vernachlässigbar gering. Es ist nicht zu erwarten, dass der Wärmeübergang von den Brennelementen an das Kühlmittel beeinflusst wird. Bei einer Einspeisung von Pentaborat in Siedewasserreaktoren kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Wärmeübergang durch eine Verkleinerung der Blasen verbessert wird. Weitere Untersuchungen bezüglich des Austrages von Pentaborat an der Phasengrenze sowie der Bildung von Schäumen sind jedoch notwendig, und es ist den Fragen nachzugehen, ob sich diese Schäume auch bei der Einspeisung von Pentaborat in einen Siedewasserreaktor bilden können und welche Auswirkungen diese auf die oberhalb des Kerns befindlichen Dampfabscheiderzyklone und Dampftrockner haben.

Die vorliegende Dissertationsschrift beinhaltet die Ergebnisse der Untersuchung von loka-len und globalen Prozessen der Wärmeübertragung beim unterkühlten Strömungssieden. Sie ist an der Schnittstelle zwischen Reaktorsicherheitsforschung und der experimentellen Thermofluiddynamik für Phasenübergänge einzuordnen. In technischen Anwendungen zur effizienten Übertragung großer Wärmemengen spielt der Prozess des Siedens eine wichtige Rolle. Dieser Vorgang bewirkt einen starken Anstieg des Wärmetransportes von der beizten Wand an das Fluid bei vergleichsweise geringem Anstieg der Wandtemperatur. Der maximal übertragbare Wärmestrom beim Sieden wird begrenzt durch die sogenannte kritische Wärmestromdichte, deren Überschreitung zum thermomechanischen Versagen der beheizten Komponente führen kann. Aufgrund der Komplexität dieser Prozesse ist es trotz intensiver Arbeiten in den letzten Jahrzehnten noch nicht gelungen, diese Vorgänge detailliert zu modellieren. Eine Weiter-entwicklung der Modelle zur realistischen Beschreibung des unterkühlten Strömungssie-dens erfordert neuartige Untersuchungen, welche eine genaue Klassifizierung der partiellen Wärmeübergänge des Blasensiedens ermöglichen. Die Analyse partieller Wärmetransportgrößen beim unterkühlten Strömungssieden sowie der Einfluss variierender thermohydraulischer Randbedingungen ist Schwerpunkt dieser Arbeit. In der entwickelten Versuchsanlage erfolgt die Erfassung der Siedevorgänge bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,1 – 2 m/s und Eintrittstemperaturen von 60 - 98 °C. Mit Hilfe empfindlicher Temperaturmessungen in einem elektrisch beheizten Kapillarrohr innerhalb des Strömungskanals werden die globalen Vorgänge beim Übergang von Kon-vektion zum Sieden erfasst. Durch eine modellbasierte Bestimmung der Oberflächentem-peratur lassen sich Phänomene nachweisen, welche bisher weitestgehend unbeachtet ge-blieben sind. Die transparente Versuchsstrecke ermöglicht eine Erfassung der lokalen Sie-devorgänge mit optisch und zeitlich hochauflösenden Messverfahren. Durch die Entwick-lung neuer Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung wurde eine umfangreiche, kenngrö-ßenorientierte Auswertung der in großem Umfang entstandenen Datenmengen realisiert. Der Einsatz transparenter und elektrisch leitfähiger Beschichtungen ermöglicht die mikro-skopische Erfassung des Blasenwachstums in weiten thermohydraulischen Parameterberei-chen. Mit erweiterten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgt die detaillierte und dynamische Bewertung des Blasenwachstumsverhaltens. Die statistische Auswertung der Verläufe er-möglicht die Ableitung eines Blasenwachstumsmodells für unterkühltes Strömungssieden. In einer weiteren Versuchsanordnung werden die lokalen Wärmetransportvorgänge bei der Ablösung quasistatisch gewachsener Blasen mit Hilfe der Infrarot-Thermographie be-stimmt. Dadurch können erstmalig die aus der lokalen Abkühlung der beheizten Oberfläche durch Blasenablösung resultierenden Wärmeströme unter Vernachlässigung der Bla-senbildung experimentell quantifiziert werden. Weiterhin können die bisher theoretisch beschriebenen Driftströmungen beim Aufstieg der Blase experimentell nachgewiesen wer-den. Die ermittelten Größen und Zusammenhänge tragen zur Weiterentwicklung und zum Abbau von Unsicherheiten bei der Modellierung von Wärmetransportvorgängen beim unterkühlten Strömungssieden bei.