Oxide dispersion strengthened (ODS) steel cladding on mixed-oxide fuel pins offers high-temperature strength and creep rupture resistance properties for a long-life fast reactor The fabrication and irradiation of the large diameter ODS steel cladding with high-density mixed-oxide pellets were performed at the Argonne National Laboratory Experimental Breeder Reactor II Two developmental ODS alloys and two fuel-pin designs were used in this study The tests were continually monitored during irradiation followed by nondestructive and destructive examinations Both designs were successful and demonstrated the potential of ODS steel as a cladding material

ODS Steel Clad MOX Fuel-Pin Fabrication and Irradiation Performance in EBR-II

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Ferritic and martensitic ODS steel resistance upset welding of fuel claddings: Weldability assessment and metallurgical effects

Pressure Resistance Welding (PRW) is a solid state joining process used for various high temperature metallic materials (Oxide dispersion strengthened alloys of MA957, MA754; martensitic alloy HT-9, tungsten etc.) for advanced nuclear reactor applications. A new PRW machine has been installed at the Center for Advanced Energy Studies (CAES) in Idaho Falls for conducting joining research for nuclear applications. The key emphasis has been on understanding processing-microstructure-property relationships. Initial studies have shown that sound joints can be made between dissimilar materials such as MA957 alloy cladding tubes and HT-9 end plugs, and MA754 and HT-9 coupons. Limited burst testing of MA957/HT-9 joints carried out at various pressures up to 400oC has shown encouraging results in that the joint regions do not develop any cracking. Similar joint strength observations have also been made by performing simple bend tests. Detailed microstructural studies using SEM/EBSD tools and fatigue crack growth studies of MA754/HT-9 joints are ongoing.

Pressure Resistance Welding of High Temperature Metallic Materials

Les alliages ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont des materiaux candidats pour la realisation du gainage combustible des reacteurs nucleaires de Generation IV de type RNR-Na. Leurs proprietes mecaniques a haute temperature sont assurees par une dispersion d’oxydes nanometriques qui peut etre modifiee sous l’effet de la temperature et notamment lors du passage par l’etat liquide. Les procedes d'assemblage en phase solide sont donc preconises. La methode de soudage etudiee dans cette these est le soudage par resistance en bout. Une double approche simulation numerique-experimentation a ete mise en place pour etudier l’influence des parametres operatoires sur le soudage et la soudure. L’ensemble des essais (experimentaux et numeriques) est realise selon la methode des plans d’experiences factoriels complets. Un alliage ODS base fer a 20 % de chrome a ete utilise comme alliage d’essai.L’analyse de l’influence des parametres operatoires sur le soudage est realisee dans un premier temps. Les resultats montrent que l’etape de soudage peut se decouper en trois phases. Dans une premiere phase, la temperature augmente au niveau des interfaces. Dans une seconde phase, le procede de soudage est gouverne par le changement de section macroscopique lorsque le courant passe du bouchon massif a la gaine plus etroite. La temperature augmente alors dans la partie de gaine depassant de l’electrode. Lorsque la temperature atteint une valeur suffisamment elevee, la partie de gaine depassant de l’electrode se deforme, entrainant un affaissement general des pieces et constituant la troisieme phase de l’etape de soudage. L’influence des parametres operatoires sur les phenomenes physiques lors de l’operation d’assemblage est evaluee. Il est alors possible d’influer sur les sollicitations thermiques et mecaniques a l’aide des parametres operatoires. L’analyse de l’influence des sollicitations thermomecaniques sur la soudure est realisee dans un second temps. Sur les plages de parametres operatoires etudiees, les resultats revelent sur certaines soudures la presence de defauts de compacite ainsi qu’une modification de la microstructure et de la dispersion des oxydes. Les defauts de compacite peuvent etre lies a des phenomenes thermiques et mecaniques au contact entre pieces. Les modifications de la microstructure sont liees a des phenomenes de recristallisation dynamique ou de fusion locale et donc a des phenomenes thermiques mais aussi mecaniques avec la presence de deformations importantes. Les modifications de la microstructure sont alors reliees a une modification de la dispersion d’oxydes. A l’aide des parametres operatoires il est possible d’influer sur les temperatures et les deformations afin de limiter les modifications de la structure de l’alliage ODS ainsi que l’apparition de defaut de compacite. A l’aide de l’ensemble de ces resultats, la procedure de soudage est adaptee sur un alliage ODS a 9 % de chrome, nuance envisagee pour la realisation des futurs gainages combustibles. L’influence des proprietes materiaux sur le soudage et la soudure est alors discutee en comparant les deux nuances ODS de compositions differentes mais aussi en comparant les resultats obtenus sur l’alliage ODS a 20 % de chrome avec un alliage non renforce de composition semblable.

Soudage par résistance du gainage combustible ODS d'un réacteur nucléaire de 4ème génération

Les aciers renforces par dispersion d’oxydes (ODS) sont des materiaux candidats pourconstituer les gaines de combustibles des reacteurs nucleaires de IVeme generation refroidis au sodium(RNR-Na). Le soudage par resistance en bout de ces gaines est etudie dans ce travail, avec pourobjectif la determination et la comprehension des effets du procede sur l’evolution de la microstructuredes aciers ODS a 9 % et 14 % de chrome a l’echelle des grains et des oxydes nanometriques. Uneapproche couplant caracterisations microstructurales sur soudures, simulation numerique et simulationphysique du procede, a l’aide d’un simulateur thermomecanique Gleeble 3500, est adoptee. Le soudagepar resistance en bout impose localement des conditions de sollicitations severes en termes dedeformation, vitesse de deformation et temperature. Ces sollicitations induisent un affinement de lamicrostructure dont l’origine peut etre attribuee a un mecanisme de recristallisation dynamique (acier a14 % de chrome) ou a l’association de la recristallisation dynamique et des transformations de phase(acier a 9 % de chrome). Les conditions d’occurrence de la recristallisation dynamique sont etudieessur ces materiaux. On montre notamment la possibilite d’une transition entre recristallisation dynamiquecontinue et discontinue sur l’acier a 14 % de chrome en fonction des conditions de sollicitation. Il estegalement observe que ces sollicitations thermomecaniques severes induisent une augmentation de lataille des oxydes nanometriques associee a une diminution de leur fraction volumique.

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Modifications microstructurales sous sollicitations thermomécaniques sévères : application au soudage par résistance des gaines de combustibles en aciers ODS

A resistance butt welding procedure was developed and qualified for joining ferritic fuel pin cladding to end caps. The cladding are INCO MA957 and PNC ODS lots 63DSA and 1DK1, ferritic stainless steels strengthened by oxide dispersion, while the end caps are HT9 a martensitic stainless steel. With adequate parameter control the weld is formed without a residual melt phase and its strength approaches that of the cladding. This welding process required a new design for fuel pin end cap and weld joint. Summaries of the development, characterization, and fabrication processes are given for these fuel pins. 13 refs., 6 figs., 1 tab.

M.L. Hamilton

Papers

Fabrication of oxide dispersion strengthened ferritic clad fuel pins