Environmentally induced fracture of zircaloy by iodine and cesium: the effects of strain rate, localized stresses and temperature

• Published in: Journal of nuclear materials 1975-01, Vol.57 (2), p.155-179
• Main Authors: Wood, J.C., Surette, B.A., London, I.M., Baird, J.
• Format: Article
• Language: English
• ISSN: 0022-3115; 1873-4820
• DOI: 10.1016/0022-3115(75)90256-1

The fracture of Zircaloy-2 fuel sheathing was studied with and without iodine or cesium present. We used an apparatus that simulated localized stresses and strains in the sheathing such as occur due to thermal expansion and cracking of UO 2 fuel pellets during a power ramp in-reactor. In the temperature range 225–550°C the combined effects of iodine and localized stresses produced a wide range of strains to failure at a given average strain rate, the upper limit of which decreased with decreasing strain rates in the range 10 −3 − 10 −7 sec −1. Three types of fractures were identified, namely transgranular cleavage intragranular cracking, and ductile fracture. A similar study was attempted using cesium as the corrodant but only ductile fracture resulted. However cesium-induced cracking was observed in 25 mm thick, dynamically stressed double cantilever beam specimens in the temperature range 30–225°C but not at 250 and 300°C. Small cracks in intact irradiated fuel sheaths resembled transgranular iodine-induced cracks when viewed by optical microscopy and scanning electron microscopy. La fracture de gaine de combustible en Zircaloy 2 a étéétudiée en présence ou en l'absence d'iode ou de césium. On a utilisé un appareil qui simule les contraintes et les déformations localisées dans une gaine telles qu'elles apparaissent en raison son de la dilatation et de la fracture des pastilles de combustible UO 2 au cours d'une montée en puissance d'un réacteur. Dans l'intervalle de températures 225–550°C les effets combinés de l'iode et des contraintes localisées produisaient une grande gamme de deformations allant jusqu'à la fracture pour une vitesse de déformation moyenne donnée dont la limite supérieure diminuait avec les vitesses de déformation décroissantes dans l'intervalle 10 −3 − 10 −7 sec −1. Trois types de fractures ont été identifiés, à savoir clivage transgranulaire, fissuration intergranulaire et fracture ductile. Une étude similaire a été enterprise en utilisant du césium comme milieu corrodant mais il en résultait seulement une rupture ductile. Cependant, la fracture induite par le césium a été observée dans des échantillons ayant la forme de poutre à double cantilever soumis à des contraintes dynamiques, dans le domaine de températures de 30 à 225°C mais non à 250 et 300°C. De petites fissures dans les gaines intactes de combustible irradiées ressemblaient à des fissures transgranulaires induites par l'iode quand elles étaient observées en microscopie op