연구개요
SA508 Gr.3 Mn-Mo-Ni 저합금강은 현재 원자로 압력용기, 가압기, 증기발생기 등의 대형 구조물에 사용되고 있는 강으로써, 고온, 고압의 가동 환경에서 견딜 수 있는 강도와 인성이 요구된다. 또한 원자로 가동중 내부에서 방출되는 고속의 중성자에 의해 상부흡수에너지가 감소하고, 연성-취성 천이온도가 상승하는 중성자 조사 취화에 대한 높은 저항성이 요구된다. 특히, 중성자 조사 취화는 원자로 압력용기 강의 안전성과 수명을 결정하므로, 안전운전 여유를 충분히 확보하기 위해서는 파괴인성이 높은 소재를 사용하여야 한다. 또한 앞으로의 상용원전에서는 가동효율을 높이기 위해 원자로를 대형화, 장수명화 하는 방향으로 계획되고 있다. 이렇게 대형화된 원자로의 압력용기에 기존 소재인 Mn-Mo-Ni계 저합금강을 적용할 경우, 충분한 강도 확보를 위해서 압력용기의 두께가 비례적으로 증가하게 되므로, 그에 따른 제작상의 어려움, 용접성, 경제성 등의 문제가 발생하게 된다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 Mn-Mo-Ni계 저합금강보다 우수한 강도와 인성을 갖는 새로운 소재의 적용이 요구되고 있다.
차세대 상용원전에서 요구하는 높은 강도를 확보하기 위해서 ASME 규격의 SA508 내에서 현재 사용되고 있는 Gr. 3 Mn-Mo-Ni계 저합금강보다 강도가 우수한Gr.4N Ni-Mo-Cr계 저합금강의 적용을 고려할 수 있다. SA508 Gr.4N Ni-Mo-Cr계 저합금강은 높은 Ni과 Cr 함량으로 인하여 경화능이 향상되고, 이로인해 최종 미세조직이 템퍼드 마르텐사이트 조직을 갖는다. 따라서 기존 템퍼드 베이나이트 조직을 갖는 SA508 Gr.3 Mn-Mo-Ni계 저합금강보다 우수한 강도와 인성을 가지고 있다. 이로 인해 Ni-Mo-Cr계 저합금강은 차세대 상용 원자로에서도 Mn-Mo-Ni계 저합금강에 비해 더 많은 안전운전의 여유를 확보할 수 있다. 그러나 상용원전 적용을 위해 필수적인 중성자 조사취화 특성의 평가 등이 일부 진행되고 있을 뿐, 아직까지 SA508 Gr.4N Ni-Mo-Cr계 저합금강에 대한 연구결과는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 SA508 Gr.3 소재보다 Ni 및 Cr의 함량을 높이고, Mn 과 Mo의 양을 적절히 조절함으로써, 항복강도가 40% 이상 증가할 뿐 아니라, 파괴인성 천이특성 온도도 50°C 이상 개선되는 향상된 SA508 Gr.4N 소재의 특성을 안정적으로 확보하고 이를 상용화 할 수 있는 재료기술을 개발하고 한다.
최종목표
상용 소재(SA508 Gr.3 Cl.1) 대비, 강도 40%, 취성천이온도 50°C 향상, 천이온도변화량(TTS) 55°C이내 (@중성자 조사량=1×1020n/cm2)의 우수한 고강도 원자로 압력용기강(SA508 Gr.4N급) 소재의 상용화 기술 확보
주요 연구내용
- 강도 및 파괴인성의 동반 향상을 위한 최적 합금설계
- 용접성/HAZ 특성 검증 및 용접/열처리 공정 최적화
- 고강도화에 따른 대형 shell 단조품의 가공성 개선 및 최적공정 개발
- 성분 변화에 따른 중성자 조사취화 저항성 검증시험 DB 생산
- 고온 장기 가동 시 미세조직과 기계적 특성의 열적 안정성 검증
그림 1. 연구대상 및 개발 목표
그림 2. 연구개발 추진체계
주요 연구성과
선행 연구에서 SA508 Gr.4N 저합금강에 대한 합금원소첨가효과 및 상안정성, 조사취화특성에 관한 연구결과를 바탕으로, 1 ton 급의 대형 모델합금을 제조하고, baseline 평가를 수행하고 있다. 항복강도의 경우 각각 537 MPa로 상용 SA508 Gr.3강(약 450 MPa)보다 높은 값을 나타내었고, 온도가 상승함에 따라 점차 항복강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 충격천이특성 방향성에 관계없이 거의 동일한 경향을 보이며, 천이온도 또한 T41J을 기준으로 T-L 방향이 -132°C로 상용소재보다 80°C 이상 향상되었다. ASTM E 208 규정에 따라 수행된 낙중시험에서도 대형 모델합금의 무연성천이온도는 -105°C로 평가되었다. 기준 무연성천이온도(Reference NDTT)의 경우, ASME Sec. III NB-2330 규정에 따라 낙중시험으로 결정된 무연성 천이온도에서 30°C를 더한 -75°C에서 3회 수행한 샤피충격시험 결과를 바탕으로 결정되었다. -75°C에서 3회 수행한 샤피충격시험 결과가 모두 요구치 (Cv energy 68 J, Lateral expansion 0.875 mm)를 만족하였기 때문에, 기준 무연성천이온도는 낙중시험에서 결정된 무연성 천이온도와 동일한 -105°C로 결정하였다.
그림 3. 모델합금의 상온 및 고온 인장특성
그림 4. 모델합금의 충격천이 특성