Pressure tubes made of Zr-2.5%Nb alloy are used to contain fuels and coolant in CANDU nuclear power reactors. The pressure tube oxidizes during reactor operation and hydrogen ingress through the oxide grown on the tube limits its lifetime. Little attention was paid to the intermediate tube manufacturing processes in enhancing the oxidation resistance. In addition, the oxide grown on the tube experiences various thermal cycles depending on the reactor shutdown and startup cycles. To address these two aspects and to better understand the oxidation process of the Zr-2.5Nb tube, research was conducted in two parts: i) effects of tube fabrication on oxidation behavior, and ii) thermal cycling behaviors of oxides grown on a pressure tube. / In the first part, the optimum manufacturing process was pursued to improve the corrosion resistance of Zr-2.5Nb tubes. Experimental micro-tubes were fabricated with various manufacturing routes in the stages of billet preparation, hot extrusion and cold drawing. These were oxidized in air at 400oC and 500oC, and in an autoclave at 360oC lithiated water. Microstructure and texture of the tubes and oxides were characterized with X-ray diffraction, scanning electron microscope and optical microscope. Special emphasis was given to examinations of the metal/oxide interface structures. A correlation between the manufacturing process and oxidation resistance was investigated in terms of tube microstructure and the metal/oxide interface structure. As a result, it was consistently observed that uniform interface structures were formed on the tubes which had a fine distribution of secondary phases. These microstructures were found to be beneficial in enhancing the oxidation resistance as opposed to the tubes that had coarse and continuous beta-Zr phases. Based on these observations, a schematic model of the oxidation process was proposed with respect to the oxidation resistance under oxidizing temperatures of 360oC, 400oC and 500oC. / In the second part, the oxides grown on a standard Zr-2.5Nb pressure tube were analyzed by X-ray diffraction peak broadening and line shift. Crystallite size, t-ZrO2 fraction and residual stress of the zirconium oxides were investigated upon several thermal cycles at delta T range of 500oC - 750oC. The oxide residual stresses measured by the sin2 psi method were always compressive around 2 GPa. Different stress-states were noticed with the oxides grown on different sections of pressure tube. The compressive stress was released when the oxide was thermally cycled at the highest delta T of 750oC. Discussion was given to the effects of anisotropic nature of thermal expansion coefficients and crystallographic texture on the stress-state of Zr oxides. / L'alliage Zr-2.5%Nb est présentement utilisé pour fabriquer les tubes contenant les grappes à combustion dans les réacteurs nucléaires CANDU. L'oxydation de ces tubes durant l'usage normale dans le réacteur et la pénétration d'hydrogène à travers leurs couches d'oxyde protectrice détériore leur durée de vie. Jusqu'à présent personne n'a porté attention à l'effet des paramètres de fabrication intermédiaire à augmenter la résistance de ces tubes à l'oxydation. De plus, l'oxyde sur le tube est soumis au cyclage thermique durant la mise en marche et l'arrêt du réacteur nucléaire. Pour mieux comprendre l'effet des deux aspects mentionnés ci-dessus et l'oxydation des tubes de Zr-2.5Nb, la présente recherche fut entreprise en deux parties: i) l'étude des variables de fabrication sur l'oxydation, et ii) l'étude du cyclage thermique sur l'oxyde des tubes. / Dans la première partie les paramètres de fabrication optimale sont cernés pour améliorer la résistance à la corrosion des tubes de Zr-2.5Nb. Des micro-tubes expérimentales furent fabriquées en variant les paramètres de fabrication aux étapes de préparation de la billet, de l'extrusion à chaud et de l'étirage à froid. Subséquemment, ceux-ci furent oxydés dans l'aire à 400oC et 500oC et dans un autoclave contenant de l'eau à 360oC en présence d'ions de lithium. La microstructure et la texture des tubes et de leurs oxydes ont été caractérisées par la diffraction rayons-x, la microscopie à balayage électronique et par microscopie optique. Une attention particulière a été portée à la structure de l'interface métal/oxyde. La corrélation entre les variables de procédé et la résistance à la corrosion des tubes a été étudiée en fonction de la microstructure du tube et la structure de l'interface métal/oxyde. Une interface uniforme fut constamment observée sur des tubes ayant une phase secondaire finement distribuée. Par la présente recherche, cette microstructure améliore la résistance à l'oxydation versus une microstructure de beta-Zr grossière et continue. Basée sur les observation de cette recherche, une modèle schématique du processus d'oxydation a été proposée par rapport à la résistance d'oxydation aux températures de 360oC, 400oC et 500oC. / Dans la seconde partie, les oxydes d'un tube de Zr-2.5Nb standard ont été analysés en mesurant l'élargissement et le déplacement des pics de diffractométrie de rayons-x. La taille des cristaux, la fraction de t-ZrO2 et la contrainte résiduelle des oxydes de zirconium furent caractérisés en fonction de plusieurs cycles thermique ayant un delta T entre 500oC et 750oC. La contrainte résiduelle, mesuré par la technique sin2 psi, fut toujours d'ordre compressive et autour de 2 GPa. Différents états de contrainte ont été observés sur les oxydes à différentes sections des tubes. Après le cyclage thermique ayant le plus grand delta T de 750oC, l'état de stress compressif est relâché. Une discussion est présentée pour relier les effets de l'anisotropie des coefficients d'expansion thermique et la texture cristallographique sur l'état de stress dans les oxydes de Zr.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.92251 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Nam, Cheol |
| Contributors | Jerzy A Szpunar (Internal/Supervisor), Richard Holt (Internal/Cosupervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mining and Materials) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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