Abstract
The diffusion of hydrogen in zircaloy under the influence of mechanical stresses is investigated. The governing equations are derived from the chemical potential of hydrogen including the contribution due to hydrostatic stresses. The obtained differential equation is converted to a system of algebraic equations by applying the finite element method and the weighted residual procedure. The equations are used to study the hydrogen diffusion in a fuel rod cladding tube with an axial crack and in a strip plate. It is demonstrated that the hydrogen tends to flow towards the areas of positive hydrostatic stress gradients where it precipitates in hydrides when the solubility limit is exceeded. The precipitation is itself a mechanism enhancing the transport to these areas by weakening the effect of the diffusion driven by concentration differences. The presented method can readily be applied to the diffusion of other species in metals.
Kurzfassung
Die Diffusion von Wasserstoff in Zirkaloy unter dem Einfluss von mechanischen Spannungen wird rechnerisch untersucht. Die benötigten Gleichungen werden aus dem um den Beitrag von hydrostatischen Spannungen erweiterten chemischen Potential abgeleitet. Die erhaltene Differentialgleichung wird durch die Anwendung der finiten Element Methode und des Verfahrens der gewichteten Residuen in ein System von algebraischen Gleichungen umgewandelt. Die Gleichungen werden zur Untersuchung der Wasserstoffdiffusion in einem Brennstabhüllrohr mit einem axialen Riss und in einem Blechstreifen eingesetzt. Es wird gezeigt, dass der Wasserstoff dazu tendiert, in Richtung der Bereiche mit positiven Gradienten der hydrostatischen Spannungen zu fließen, wo er teilweise in Hydriden ausgeschieden wird, wenn die Löslichkeitsgrenze überschritten wird. Durch Schwächung der Wirkung der durch Konzentrationsunterschiede angetriebenen Diffusion wirkt die Ausscheidung selbst als Mechanismus zur Verstärkung des Wasserstofftransports zu diesen Bereichen. Die vorgestellte Methode kann leicht auf die Diffusion anderer Substanzen in Metallen angewandt werden.
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