연구배경
미래형 원자력시스템의 노심 구조물은 극심한 중성자 조사 조건(400 dpa)에서 운전되어야 할 뿐 아니라 SFR의 핵연료 피복관과 같은 경우는 700°C에 이르는 높은 온도에서도 기계적 건전성을 유지해야 한다. 노심의 성능은 노심 구조물 재료의 건전성에 의해 제한을 받기 때문에, 고성능 원자로 건설을 위해서는 적절한 노심 재료의 선택은 매우 중요하다. 그러나 현존하는 고온용 금속재료는 낮은 조사저항성 및 상안정성, 고방사화 등의 문제를 갖고 있다. 지난 수 십 년 동안, Fe-(212)Cr ferritic/martensitic(F/M) 합금이 미래형 원자로 노심용 재료로 개발되었다. 예를 들어, Fe-12Cr 합금인 HT-9의 경우는 고속중성자 시험시설(Fast Flux Testing Facility, FFTF)의 핵연료 피복관과 덕트의 재료로 사용되었다. 그러나 이러한 재료들의 최대 운전온도가 550°C에도 채 이르지 못해서 미래형 원자로의 노심구조물이 목표로 하고 있는 700°C(미국의 경우)에는 크게 못 미친다.
그림 1. 나노입자강화강과 상용 FM강의 파괴저항특성비교
이런 문제점들을 극복하기 위해서 나노입자강화강(nano-structured ferritic alloy, NFA)들이 개발되기 시작하였다. 현재는 700°C에서 충분한 강도특성을 보장할 수 있는 유일한 Fe-base 재료는 NFA 뿐이다. 미국 오크리지 국립연구소(ORNL)에서 나노 입자 Fe-Cr 기지와 Y-W-Ti nanocluster의 복합재료가 개발되어 고온 강도와 조사 저항 특성에 많은 개선을 가져 왔으나, 이 재료 역시 균열에 대한 민감성이 극심할 뿐 아니라 파괴인성 역시 매우 낮은 단점이 최근에 발견되었다.
본 연구에서는 고온부품용 나노입자 강화강의 파괴인성을 개선할 수 있는 2상 조직화 공정 개발(고강도-고인성 나노입자강화강 개발)하고 700°C까지 강도, 파괴인성, 크리프 특성 등 나노입자 강화강의 고온 재료특성 자료를 확보하는데 있다.
연구방법
나노 클러스에 의한 입자강화 기술과 2상 영역 열처리 기법을 결합시켜 고강도-고인성의 고온용 재료를 개발코자 한다. 우수한 강도를 유지하면서도 연성과 인성을 향상시키기 위해서 단단한 조직과 부드러운 조직의 결합인 복합상을 생성시킬 수 있는 열처리 조건을 설정한다. 복합 조직은 균열 진전에 장애물 역할을 하여 파괴인성을 증가시킨다.
그림 2. 2상조직 나노입자강화강 개념도
복합상을 형성시키는 방법으로는 이미 저합금강 등에 대한 2상 영역 열처리 공정 등이 알려져 있으며 나노입자강화강의 기지조직도 적절한 조건의 2상 영역 열처리를 통해서 복합 금속조직화할 수 있을 것으로 판단된다. 기존의 나노입자강화강의 기지조직은 대부분이 경질의 마르텐사이트상이지만 페라이트/오스테나이트 2상 공존영역에서 열처리 후, 냉각시키면 페라이트(혹은 템퍼드 마르텐사이트)/마르텐사이트의 2상 조직을 얻을 수 있다.
그림 3. 9Cr 나노입자강화강의 EBSD mapping 미세조직
공동연구기관인 미국 오크리지 국립연구소의 나노입자강화강 개발 분야에서 전세계적으로 가장 앞서 가는 연구팀에서 F/M 기지의 나노입자강화강을 제조하여 공급하며 한국원자력연구원의 재료부에서는 저합금강의 2상 영역 열처리 기술을 개발한 경험과 원자력 재료의 기계적 특성을 평가 분야에서 세계적인 기술을 보유하고 있으므로 두 기관의 공동 연구로 상당한 시너지 효과를 얻을 수 있다.
기대효과
나노입자 강화강의 2상 조직화 공정기술은 SFR의 핵연료 피복재, VHRT의 turbine blade 등 고온로 부품의 기계적, 파괴적 특성을 향상시킬 수 있는 공정기술로 활용이 가능하다. 고크롬강에 최초로 2상 영역 열처리 기법을 도입하는 특성을 획기적으로 개선하는 공정 기술이 확립되면 NFA강의 단점을 극복할 수 있는 기술적 바탕을 제공하게 된다.
우수한 고온 강도 및 조사저항성을 갖추고 있는 NFA 재료에 추가로 고연성/고인성 특성을 부가하는 새로운 공정이 성공적으로 개발되면 미래형 원자로 시스템을 고성능, 장수명화할 수 있을 뿐 아니라 저가로 고성능의 노심 부품을 생산할 수 있으므로 경제성을 제고하는데 큰 기여를 할 수 있다.