연구배경
원자로용기 재료는 핵반응에 의한 중성자조사에 의해 대표적 경년열화 현상인 조사취화가 발생한다. 국내에 가동중인 원전이 21기에 이르고 특히 고리1호기 뿐 아니라 고리2호기 등 외국의 기술로 수입된 8기 원전의 가동년수가 모두 20년을 넘어서고 있다. 또한 1990년대 이후 국산화된 한국형 표준원전도 15년 이상의 가동경험과 함께 신규건설 및 해외 수출까지 활발하게 추진되고 있는 상황이다. 가동원전의 수명연장은 전세계적인 추세로 많은 상용 원전들이 설계수명인 40년을 넘어 60년 가동으로 넘어가고 있다. 그러나 전세계적으로도 40년 이상 조사량을 갖는 원자로재료의 조사취화 시험 자료는 많지 않으며, 실험로의 중성자 조사 시험결과에서는 고선량 조사량에서 일부 재료가 새로운 미세기구에 의해 취화가 가속될 수 있음을 나타내기도 한다. 따라서 미국, 일본을 중심으로 60년 이상 80년의 원전 수명시대에 대비하기 위한 고선량 조사취화 시험결과 데이터베이스의 확장 사업이 추진중이다. 또한 원자단위의 미세변화를 관찰할 수 있는 장비들이 개발됨에 따라 기존의 취화이론에 수정이 필요하고, 이를 바탕으로 장기적 취화 예측모델의 수정작업도 필요할 것으로 예상된다. 따라서 국내 원전에 대해서도 80년 이상 가동에 대비하여, 원자로용기 및 그 재질에 대한 우리나라 고유의 고선량 조사취화 데이터베이스와 안전성 검증 모델의 구축이 꼭 필요한 시점이다.
고선량 중성자 조사취화 특성 시험
국내에서는 가동 중 상용원전은 과학기술부 고시 제 2009-37호 “원자로 압력용기 감시시험기준”을 근거로, 원전 건설시 장입한 감시시험 캡슐을 가동중 주기적으로 인출하여 원자로의 건전성을 평가하고 있다. 그러나 표준원전의 감시시험 캡슐은 선배율이 낮아 80년 이상의 장기가동에 대비한 원자로용기강의 조사취화 데이터를 조기에 확보하기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 한국표준원전 초기 원자로 압력용기 소재에 대하여 연구로용 원자로인 ‘하나로’를 이용하여 실제 보다 가속된 중성자 조사시험을 수행하여, 장기 가동에 대비한 높은 조사조건에서의 중성자 조사취화 특성을 평가하고자 한다. 이를 통해 우리 고유원전의 고선량 조사취화 데이터베이스를 확보하고, 원전의 60년 이상으로 상용원전의 가동시키고자 할 때, 감시시험에 앞서 원자로의 건전성을 미리 예측해 볼 수 있는 귀중한 자료로 활용할 수 있다.
그림 1. 하나로 조사시험 및 조사재 특성평가
예측모델 개발
원전의 장기가동에 따른 원자로압력용기의 중성자조사취화에 대한 안전성을 확보하기 위하여 파괴역학적 평가 기술의 신뢰성을 높이고 안전성 예측모델을 개선하는 연구가 수행되고 있다. 원자로용기에서 실제 발생 가능한 얕은 균열, 다축하중 등을 모사하여 실구조물의 균열저항 특성을 정확히 예측할 수 있는 파괴역학적 평가 모델을 개발하고 실험실 규모의 파괴인성 시험과 실구조물의 파괴인성의 차이를 보정하는 기술들과 재료의 내부손상 인자를 포함한 손상역학 기반의 국부파괴거동에 대한 개발연구를 지속적으로 수행하고 있다. 이러한 실험적, 수치해석적 연구는 최신의 파괴역학적 평가법 개선에 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 향후 축척된 데이터 베이스와 경험을 바탕으로 전문가용 통합 평가 프로그램 구축이 가능하다.
그림 2. 압력용기의 파괴역학적 안전성 평가 모델 개발