Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) 233
Vergleich von Zircaloy und Siliziumkarbid fiir nukleare
mg Anwendungen
a TN Petra Severloh, Valentina Avincola, Martin Steinbriick, Ulrike Stegmaier, Hans Jiirgen Seifert
apr Karlsruher Institut fiir Technologie, Institut fiir Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik, Karlsruhe
afl ve 4. 1 Einführung
sSertation Ruhr- . ; . _
Zirkonium-Legierungen werden weltweit in nuklearen Leichtwasser-Reaktoren als
Hüllrohrmaterialien eingesetzt. Sie umhüllen den Brennstoff und bilden eine erste Barriere gegen
die Freisetzung von radioaktiven Spaltprodukten. Zr-Legierungen zeigen exzellentes mechanisches
und Korrosionsverhalten bei Betriebsbedingungen.
Bei erhöhten Temperaturen, wie sie bei nuklearen Störfällen auftreten können, beeinträchtigt die
Oxidation von Zirkonium die mechanische Stabilität der Hüllrohre und ist eine Quelle von
Wasserstoff und Wärme, die bei der Oxidation in Wasserdampf freigesetzt werden. So wurden die
Explosionen in den Reaktorgebäuden von Fukushima durch Wasserstoff aus der Zirkonium-Dampf
Reaktion verursacht. Siliziumkarbid und Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe werden deshalb als
Kandidaten fiir den Ersatz von Zirkonium-Legierungen untersucht.
Im Rahmen der nuklearen Sicherheitsforschung wurden am KIT umfangreiche Versuche zur
Oxidation von Zirkonium-Legierungen und Siliziumkarbid durchgefiihrt. Metallographische
Methoden haben dabei einen großen Beitrag zum Verständnis der komplexen Reaktionen geliefert.
In diesem Beitrag werden folgende Proben miteinander verglichen: Zircaloy-Hüllrohre,
Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff-Rohre (SiC-Faserverbundwerkstoff mit ca. 50um SiC-CVD-
Schicht an der Oberfläche) und massive Siliziumkarbid-Zylinder; und ausgewählte Ergebnisse der
Oxidation bei hohen Temperaturen vorgestellt.
2 Präparation der metallographischen Schliffe
2.1 Präparation von Siliziumkarbid
Der verhältnismäßig hohen Härte und Sprödigkeit von Siliziumkarbid muss bei der
Schliffbearbeitung Beachtung geschenkt werden. So neigt Siliziumkarbid zu Kornausbrüchen.
Trennen:
Die Probennahme erfolgte mit einer Nasstrennschleifmaschine mit Diamant-Scheibe.
Einbetten:
Das Siliziumkarbid wurde mit Epoxidharz vakuumimprägniert. Da die SiC-Verbundwerkstoff-
Rohrabschnitte auf der Mantelfläche mit einer ca. 50 um dicken CVD-SiC-Schicht versehen wurde,
ist ein Nachimprägnieren im angeschliffenen Zustand sinnvoll.
Schlecht durchmischte oder zu weiche Einbettmittel ziehen Präparationsprobleme nach sich. In der
Abbildung 1 unten erkennt man die Folge zu weicher Einbettung. Auch eine Verlängerung der
Polierzeiten bringt keine Abhilfe.
