Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6737

Stress Effects in Cylindrical Tubes of Austenitic and Ferritic/Martensitic Steels with Oxide Scales - Materials Selection for a HPLWR -

H. Steiner

Abstract
In the frame of the studies for a high performance concept of a Light Water Reactor (LWR) different materials for the cladding are investigated, among them are austenitic and ferritic/martensitic (f/m) steels of different Cr content. Due to the envisaged very extended life times of the fuel elements in the reactor, corrosion problems may arise. Thus, cracking and/or spalling effects in oxide scales on metallic components may play an important role in the corrosion process as they lead, in general, to a drastic enhancement in the oxidation rates.

Analytical models for different fundamental stress problems in the compound oxide scale/ metallic substrate have been developed and implemented in the computer code OXSPA. These models concern the growth stresses in the cylindrical tubes, the stresses due to temperature changes and radial temperature gradients and the stresses due to inside and outside pressures.

Spannungseffekte durch Oxidschichten auf zylindrischen Rohren aus austenitischen und ferritisch/martensitischen Stählen

Zusammenfassung
Im Rahmen der Studien für ein Hochleistungskonzept eines Leichtwasserreaktors (LWR) werden verschiedene Hüllmaterialien auf ihre Eignung hin untersucht, unter anderem auch austenitische und ferritisch/martensitische Stähle. Aufgrund der vorgesehenen sehr langen Standzeiten der Brennelemente im Reaktor können Korrosionsprobleme auftreten. Dabei können Rissbildungen und Abplatzvorgänge in den Oxidschichten zu einer drastischen Erhöhung der Oxidationsraten führen.

Dazu wurden analytische Modelle zur Beschreibung von verschiedenen fundamentalen Spannungsproblemen im Verbund aus Oxidschicht und metallischem Substrat entwickelt und in den Computercode OXSPA eingebaut. Diese Modelle betreffen im einzelnen die Wachstumsspannungen in zylindrischen Rohren, die mechanischen Spannungen durch Temperaturwechsel und durch radiale Temperaturgradienten in den Hüllrohren und die Spannungen durch innere und äußere Drücke.

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