Zirconium alloys are widely used in light water reactors (LWR) fuel cladding and other fuel assembly structures due to their ability to maintain sufficient mechanical strength in high-temperature, high-pressure, high-radiation LWR environments, and high neutron economy. Recently, preventing serious deterioration of zirconium-based fuel cladding under severe accident conditions such as the Fukushima accident is one of the most important engineering goals. Strategies to use nanoporous oxide layers for zirconium-based fuel cladding in LWR to improve safety margin in the event of a serious accident are presented. The nanoporous oxide layer was designed to have oxidation resistance on the zirconium alloy metal by a simple electrochemical method called anodization.
A review of the anti-oxidation and anti-corrosion behavior of zirconium alloys with nanoporous oxide layers is provided. Oxidation experiments were conducted in air and steam environments above 800$^\circ C$. Feasibility studies have been carried out to demonstrate corrosion resistance at 360$^\circ C$ and 150 bar, the normal operating conditions of nuclear power plants. The protective properties of nanoporous oxide layers in corrosive environments including Li-ions are encouraging. The role of nanoporous oxide layers in each corrosive environment was analyzed. As a result, zirconium alloys with nanoporous oxide layers exhibit an improvement in oxidation or corrosion resistance compared to bare zirconium alloys without nanoporous oxide layers.
The electric field application based on the COMSOL simulation results provides a large area treatment method for anodizing cylindrical zirconium alloy tubes to form a layer of corrosion-resistant nanoporous oxide. The formed nanoporous oxide layer was chemically and mechanically stable. These findings can be used as candidates for accident tolerant fuel cladding as a joint study of nanotechnology and nuclear engineering.
지르코늄 합금은 고온, 고압, 고 방사선 LWR 환경에서 충분한 기계적 강도를 유지할 수있는 능력과 높은 중성자 경제성으로 인해 LWR (Light Water Reactor) 연료 클래딩 및 기타 연료 조립 구조물에 널리 사용됩니다. 최근 후쿠시마 사고와 같은 심각한 사고 조건에서 지르코늄 기반 연료 클래딩의 심각한 열화를 방지하는 것이 가장 중요한 기술적 목표 중 하나입니다. LWR의 지르코늄 기반 연료 클래딩에 나노 다공성 산화물 층을 사용하여 심각한 사고 발생시 안전 마진을 향상시키는 전략이 제시됩니다. 나노 다공성 산화물 층은 양극 산화라고하는 간단한 전기 화학적 방법에 의해 지르코늄 합금 금속 상에 내 산화성을 갖도록 설계되었다.
나노 다공성 산화물 층을 갖는 지르코늄 합금의 산화 방지 및 부식 방지 거동에 대한 검토가 제공된다. 800$^\circ C$ 이상의 공기 및 증기 환경에서 산화 실험을 수행했습니다. 타당성 조사는 원자력 발전소의 정상적인 작동 조건 인 360$^\circ C$ 및 150bar에서 내식성을 입증하기 위해 수행되었습니다. Li- 이온을 포함한 부식성 환경에서 나노 다공성 산화물 층의 보호 특성은 고무적입니다. 각 부식 환경에서 나노 다공성 산화물 층의 역할을 분석했습니다. 결과적으로, 나노 다공성 산화물 층을 갖는 지르코늄 합금은 나노 다공성 산화물 층을 갖지 않는 베어 지르코늄 합금에 비해 산화 또는 내 부식성의 개선을 나타낸다.
COMSOL 시뮬레이션 결과에 기초한 전계 응용은 원통형 지르코늄 합금 튜브를 양극 처리하여 내 부식성 나노 다공성 산화물 층을 형성하는 대 면적 처리 방법을 제공합니다. 형성된 나노 다공성 산화물 층은 화학적으로 및 기계적으로 안정적이었다. 이러한 연구 결과는 나노 기술과 원자력 공학의 공동 연구로서 사고에 견딜 수있는 연료 클래딩의 후보로 사용될 수 있습니다.
