해외 ODS강 개발 현황

일본

일본의 ODS강은 통상 9~12w%Cr의 저Cr계와 14w%Cr이상이 첨가된 고Cr계 ODS 강으로 나눌 수 있다. 특히, 전자인 9Cr Martensitic ODS강 (Fe–0.13C–9Cr–2W–0.2Ti–0.35Y2O3)과 12Cr Ferritic ODS강 (Fe–0.04C–12Cr–2W-0.25Ti–0.25Y2O3)은 1987년부터 개발을 추진하여 소듐고속로 (Sodium fast reactor, SFR)의 연료 피복관으로의 사용을 목적으로 JNC (Japan Nuclear Cycle Development Institute) 에서 개발되었다. 개발초기에는 고온강도향상에 집중하여 Powder metallurgy를 이용한 MA 조건의 최적화와 Ti, Nb 등의 마이너 첨가원소의 영향을 연구하고, 1990년에는 고온압출법과 고온압연법을 사용하여 튜브 생산기술을 개발했다. 하지만 이러한 생산기법에 기인한 압연방향으로 길게 늘어진 Elongated grain분포에 의한 고온강도특성의 심각한 이방성 (Anisotropy)이 문제점으로 대두되었다. 이에 대해 9Cr계는 α→γ 상변태열처리를, 12Cr계 ODS강은 재결정열처리로 등방성 조직을 확보하여 해결하였다. 이후 미세구조조절, 성형공정, 튜브생산공정, 산화물 안정성, 용접특성, 조사특성 등에 대해 체계적으로 연구하여 왔다. 지금까지의 결과, 우수한 고온강도 및 크리프특성, 내조사성 등이 기존의 Austenite계 합금에 비해 월등히 향상되어 러시아 연구로 BOR-60에서 MOX 및 UO2연료를 장입하여 고연소도 조사시험을 수행하였다. 이후 150GWd/t급의 고연소 차세대 원자력시스템 (Generation IV advanced nuclear system) 의 피복관 재료로 적용이 대두됨에 따라 기존 ODS강의 적용이 검토되는데, 이들은 충분한 고온강도 및 내조사성을 가지고 있으나, 냉각재와의 공존성, 내식성, H/He 취성 등의 취약함이 문제시되었다. 이 때문에 고내식성 ODS강의 개발이 2000년 초반부터 대학을 중심으로 시작되었고, K시리즈라 불리는 초기 고Cr ODS강은 14wt% 이상의 Cr과 Al 첨가하였고 그 결과, 내식성, 가공성의 향상 및 이방성 감소가 확인되었다. 하지만, 두 가지의 무시할 수 없는 문제점 또한 대두되었는데, 18wt% Cr이상을 함유한 ODS강에서는 Cr-rich상 (σ-phase)의 형성에 의한 심각한 Ageing embrittlement 발생, Al 함유에 따른 고온강도의 저하를 확인하였다. 이후 각 주요원소(Cr, W, Al, etc.)의 화학조성이 Trade-off 관계에 있음을 고려하여 Cr의 함량을 14~16wt%로 제한하고 4Al-2W(wt%)을 첨가하여 내식성을 확보하면서 Ageing embrittlement 발생을 저하시키는데 성공한다. 하지만 Al 첨가에 의한 고온강도특성의 저하는 여전히 문제시되어 또다시 합금조성의 조절을 고려하게 되는데, 소량 첨가되는 Minor alloying elements의 최적화에 초점을 두어 새로운 합금원소를 첨가함으로써 충분한 고온강도와 내식성을 가지는 ODS강을 개발하였다.

표 1. 일본에서 개발된 고Cr ODS ferritic steel의 합금조성

유럽연합

유럽에서는 HCPB (Helium cooled pebble bed), HCLL (Helium cooled lithium lead)의 두 가지의 핵융합로 블랑켓 컨셉트를 개발하고 있는데, 구조재료로서 EUROFER Steel이라는 이름으로 RAFM 강을 개발하고 있다. 이러한 RAFM강을 구조재로 사용하면, 냉각재의 온도가 250-550°C로 제한되지만, 열효율을 고려하여 -650°C 운용을 위해 ODS강의 적용도 검토하고 있는데 이를 위해 개발하고 있는 합금이 ODS-EUROFER 이다. 합금조성은 기존의 EUROFER97 (Fe-0.1C-9Cr-VWTa)의 조성에 0.3, 0.5wt%의 Y2O3를 첨가한 것이 특징이다. ODS-EUROFER는 2002년에 CEA(Atomic Energy Comission), CRPP (Center of Plasma Physics Research) 그리고 FZK(Forschungszentrum Karslruhe)를 중심으로 하여 첫 Ingot 생산을 시작하며 제작되었다. 타 ODS합금이 주로 합금분말을 열간압출법(Hot extrusion)으로 성형하는 것에 비해, ODS-EUROFER는 분말야금단계 후 HIP(Hot isostactic pressing)법을 사용하여 부품의 최종형상에 가깝게 제조하는 것과 HIP후 열간압연공정을 통하여 판, 관재를 제조하는 프로세스를 취하고 있다. ODS-EUROFER는 기존의 EUROFER97에 비해 700°C에서 35~50% 향상된 고온인장강도와 우수한 크리프특성을 실증하였지만 낮은 연성과 파괴인성, 높은 DBTT가 해결점으로 대두되었다. 하지만 2005년 기존의 산업시설을 이용하여 50Kg 급 생산을 시작으로 대량생산성을 향상시키기 위해 노력 중이며, 낮은 연성과 충격특성을 보완하기 위해 C, O, N, Ti 의 햠량 조절 및 억제, 개량된 Thermo-mechanical heat treatments의 적용 등으로 해결법을 모색하고 있다. 아울러, 여러 연구로 (벨기에 BR-2, 미국 ORNL HFIR) 에서 노내특성을 검토하고 신뢰성 있는 접합기술개발을 위해 확산접합(Diffusion bonding)을 중심으로 한 접합기술개발에 집중하고 있다.

미국

미국의 DOE(Department of Energy)는 1970년대부터 액체금속냉각 고속증식로의 연료피복관 개발을 지원해 왔는데 초기 후보재료로서 고려된 SS316의 심각한 Swelling특성이 발견됨에 따라 FM강인 HT9을 고려하게 된다. 하지만 당시의 원자력 정책의 변경에 의하여 일본이나 유럽에 비하여 고속로용 피복관 합금개발에 대한 연구가 상대적으로 활발하지 않았는데, 2000년대 들어 GEN IV, Fusion reactor 등의 미래 원자력시스템의 구조재료로서 ODS합금의 우수성에 주목하여 INCO사의 상용ODS합금 MA957의 평가를 시작으로 ODS합금의 개발에 시작하게 된다. MA957은 1978년에 개발된 ODS강으로 Fe-14Cr-1Ti-0.3Mo-0.25Y2O3의 조성에 열간압연 등의 프로세스에 의해 제조하는 것이 특징인 합금이었다. 이후, 동 조성에 20%의 Cr과 5%정도의 Al을 첨가하여 MA956를 개발하였으며, HT9에 비해 우수한 고온강도와 안정성이 장점이었으나 높은 DBTT, 조사취화 등이 문제점으로 지적되었다. 이후 Tubing process, 충격특성 향상 등에 대한 평가가 PNNL (Pacific northwest national laboratory) 등을 중심으로 진행되었다. 일본과 유럽에서는 주로 ODS Steel 또는 ODS Alloy로 정의하고 있는 것에 반해, 미국에서는 기지 속에 분산되어 있는 미세산화물 분포를 일종의 Cluster 구조로 인식하여 NFA (Nanostructured ferritic alloy) 라고 정의하고 있다. 최근 ODS강의 개발은 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)와 UCSB (University of California, Santa Barbara)가 중심이 되어 시작하였는데, 이때 개발한 ODS강을 첨가원소에 따라 12YT, 12YWT, 14YWT라고 부르고 있다. ORNL에서는 HFIR를 활용한 노내특성 평가를 통해 핵융합구조재료로서의 ODS강에 집중되어 있는 것이 특징이다. 2005년 M. Miller 등은 12YWT, 14YWT 그리고 MA957의 ODS강에 대해 1300°C의 고온에서 산화물의 분포에 영향을 미치는 장시간 어닐링 효과에 대해 연구하여 Y-Ti-O계 산화물의 고온 안정성을 입증하였다. 이와 같이 지금까지 동 연구소에서는 12YWT, 14YWT등의 ODS강에 대해 고온강도에 미치는 분산산화물 분포의 영향, 기계적 특성에 미치는 고화 온도 최적화, 고온강도특성과 변형 메커니즘의 해명 등의 특성을 연구했다. 최근에는 DOE의 Fusion materials development program을 중심으로 하여 14YWT의 파괴인성향상을 위한 조성, 생산공정의 최적화 검토 그리고 RAFM강과의 이종접합연구 위주로 나아가고 있다.

러시아

EP450 ODS강은 러시아의 JSC VNIINM (A.A. Bochvar High-technology Institute of Inorganic Materials) 에서 2005년부터 개발되고 있는 ODS강이다. 기본조성은 러시아에서 개발한 FM강인 EP450의 조성에 Y2O3를 첨가하여 산화물분산 강화한 것으로 현재 BN-600과 BOR-60 등의 연구로에서 Wrapper tube로 노내특성을 평가하고 있다. Fuel pin을 제작하는데 있어서 60%이상의 냉간압연을 이용해 두께 0.4mm 의 세관을 제조하고 650~700°C에서 고온인장 및 크리프시험에 성공하였다. EP450 ODS강은 기존의 FM강을 이용하여 ODS강의 성능 향상효과를 Demonstration 하는 등의 연구단계이고 아직 체계적 연구개발은 이루어지지 않았다.

중국

중국의 ODS강 개발에 대한 연구활동은 활발하지만 전 국가적인 개발프로그램은 아직 발족되지 않아, 중국 국내 연구기관인 CEFRRC(China Experimental Fast Reactor Research Center), CIAE(China Institute of Atomic Energy), CAS(Chinese Academy of Science)와 각 대학들인 USTB(University of Science and Technology Beijing), CSU(Central South University)을 위주로 산발적으로 연구되고 있다. 이 중, CEFRRC, CIAE 및USTB에서 차세대원자력시스템용 ODS강 개발에 집중하고 있는데, 아직 체계적인 연구단계가 아니지만 최적 조성선정과정에 있어서 여러 조성을 검토하고 있고 기존에 알려진 프로세스가 아닌 산화금속이나 환원과정을 이용한 미세분산산화물의 합성 등, 새로운 프로세스의 개발에도 많은 관심을 가지고 있다. 현재 상기 연구기관 등에서 주로 검토되고 있는 조성으로는 12Cr-ODS강 (Fe-12Cr-2.5W-0.25Ti-0.2V-0.4Y2O3, Fe-12Cr-2W-0.5TiVTa-0.35Y2 O3), 13Cr-ODS강 (Fe-13Cr-3W-0.4Ti-0.25Y2O3), 14Cr-ODS강(Fe-14Cr-3W-0.2Ti- 0.3Y2O3), 오스테나이트 ODS강 (Fe-18Cr-8Ni-1Ti-0.35Y2O3)등이 있다. 이 중, 12C- ODS강은 프로세스 최적화를 위한 기초 물성시험에 대한 연구를 활발히 하고 있으나 참고 합금인 미국의 12YWT에 비해 낮은 고온강도특성 등 아직 주목할 만한 우수한 성능은 나오지 않고 있다.

인도

인도는, 현재 자국의 기술력을 바탕으로 200GWd/t급의 SFR개발을 위해 고속로에 대한 기술 개발에 매진하고 있다. 인도는 2000년대부터 IGCAR (India Gandhi Centre for Atomic Research), NFC (Nuclear Fuel Complex) 및 ARCI (International Advanced Research Center for Powder Metallurgy and New Materials)를 중심으로 개량된 FM강, 스테인리스강 (D9, IFAC-1, T9) 등의 고속로 구조재료용 소재를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며 연료피복관의 재료로서 ODS강의 Cladding tube, FM강의 Wrapper를 고려하고 있다. 이에 대해 이들 세 기관은 공동으로 ODS 피복관 제조공정을 개발한 후, 9Cr ODS (9Cr-2W-0.1C-0.2Ti-0.35Y2O3)피복관을 제조하였고 현재 자국의 FBTR에서 ODS 피복관의 노내 특성을 검증하고 있다. 이 외에 고Cr ODS강에 대한 개발도 착수하여 Fe-13, 22, 26Cr-2Al-0.5Ti-1Y2O3 ODS강 등의 미세구조와 기계적 특성 평가도 수행하고 있다.

표 2. 해외에서 개발된 ODS steel의 합금조성

Document ID: d20130001