A comparison of magnox A 12 and ZA alloys as canning materials for nuclear reactors

Abstract

The properties of the magnesium alloys ZA and A 12 are compared for their use as fuel element canning materials in power reactors of the Calder Hall type. It is concluded that ZA shows more resistance to grain growth than A 12 and also possesses superior mechanical properties in that ZA has a higher rupture ductility, is free from grain boundary cavitation effects, has a higher fatigue strength and a resistance to creep at high temperatures as good as that of A 12. The resistance to oxidation in CO2 is similar in both alloys but in gross fault conditions in which large amounts of air are included in the coolant at high temperatures, then A 12 is more resistant to severe attack. The ignition temperatures of A 12 are slightly higher than those of ZA. Despite the more attractive mechanical characteristics of ZA, fuel elements clad in A 12 have performed satisfactorily whereas ZA canned elements in the Calder Hall and Chapelcross reactors have had to be discharged at low burn-ups. This has been shown to be due to the diffusion of plutonium through the ZA can walls, while A 12 presents an excellent barrier to such diffusion at current fuel element temperatures. Les propriétés des alliages de magnésium ZA et A 12 sont comparées au point de vue de leur emploi comme matériaux de gaînage d'éléments combustibles dans les réacteurs de puissance du type “Calder Hall”. On en conclut que ZA montre plus de résistance à la croissance du grain que A 12 et aussi possède des propriétés mécaniques supérieures en ce sens que ZA a une ductilité à la rupture plus élevée, est exempt d'effets de cavitation aux joints de grains, possède une résistance à la fatigue plus élevée et une résistance au fluage à haute température aussi bonne que celle de l'alliage A 12. La résistance à l'oxydation dans le gaz carbonique est similaire dans les deux alliages mais dans des conditions accidentelles oú de grandes quantités d'air sont introduites dans le fluide de refroidissement à hautes températures, alors l'alliage A 12 est plus résistant à une attaque sévère. Les températures d'inflammation de A 12 sont légèrement plus élevées que celles de ZA. En dépit des caractéristiques mécaniques plus attractives de ZA, les gaines en A 12 des éléments combustibles ont donné des performances satisfaisantes tandis que les éléments gaînés en ZA dans les réacteurs de Calder Hall et Chapelcross ont dû être défournés après un faible taux de combustion. On a montré que ceci était dûà la diffusion du plutonium à travers les parois de la gaîne en ZA tandis que l'alliage A 12 présente une excellente barrière à une telle diffusion aux températures couramment utilisées pour l'élément combustible. Die Eigenschaften der Magnesium-Legierungen ZA und A 12 wurden verglichen im Hinblick auf Ihren Gebrauch als Umhüllungsmaterial für Spaltstoffelemente von Kraftwerksreaktoren des Calder Hall-Typs. Es konnte festgestellt werden, dass die Legierung ZA einen grösseren Widerstand gegen Kornwachstum aufweist gegenüber der Legierung A 12. Sie besitzt ausserdem bessere mechanische Eigenschaften wie z.B. eine höhere Dauerstandsfestigkeit und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen und ist frei von Korngrenzen-Kavitationseffekten. Der Widerstand gegen Oxydation in CO2 ist in beiden Legierungen ähnlich. Jedoch ist unter Versuchsbedingungen, in welchen ein grosser Anteil von Luft im Kühlmittel bei hohen Temperaturen eingeschlossen ist, die Legierung A 12 gegen Korrosionsangriffe widerstandsfähiger. Die Entzündungstemperatur von A 12 ist etwas höher wie die von ZA. Ungeachtet der besseren mechanischen Charakteristik der Legierungen von ZA zeigten Spaltstoffelemente mit einer Umhüllung von A 12 befriedigende Ergebnisse. ZA-umhüllte Elemente in Calder Hall und im Chapelcross Reaktor wurden dagegen bei niedrigen Ausbränden entnommen. Das Ergebnis lieferte Hinweise auf die Diffussion von Plutonium durch ZA-Wände, während A 12 eine hervorragende Barriere für solche Diffusionserscheinungen bei den Betriebstemperaturen der Spaltstoffelemente darstellt.