원자로 내부구조물 개요 및 손상
원자로 내부에는 다양하고 복잡한 형태의 내부구조물들이 있으며, 이들은 원자력발전을 위해 핵반응이 일어나는 노심의 기하학적인 건전성을 유지하는 역할을 한다. 주요 구성 요소는 upper core structure, core baffle/former/barrel, thermal shield, lower core support structure 등이 있다. 원자로 내부구조물 부품들은 고온/고압의 냉각수와 핵반응에 의해 방출된 중성자 조사 환경에 노출되어 있다. 더욱이, 원자로 내부에서는 위치에 따라 최대 30 - 50 dpa에 달하는 중성자 조사를 받기도 한다. 따라서, 중성자 조사가 부가된 이러한 가혹한 운전 환경에 의해 내부구조물 부품에는 여러 가지 형태의 중성자 관련 손상이 발생하며, 주요 열화 기구로는 조사취화(irradiation embrittlement), void swelling, 조사유기응력부식균열(IASCC) 등이 있다. 그림 1은 원자로 내부구조물 개요와 내부구조물 부품이 IASCC에 의해 손상된 모습을 보여주고 있다.
그림 1. 원자로 내부구조물의 개요와 IASCC에 의해 손상된 내부구조물 부품의 모습
방사선 조사에 의한 IASCC 거동
SCC 균열의 시작은 일반적으로 핏트(pit)나 2차상 입자 등의 사이트에서 잘 일어나는 것으로 알려졌다. 2차상 또는 개재물(inclusion)의 우선적 용출은 국부적으로 수화학적 특성과 국부적 변형이 slip-dissolution 등의 기구로 SCC가 시작되기 쉬운 틈새를 생성하게 된다. IASCC의 경우, 조사 손상에 의한 입계에서의 Cr 결핍, Si과 P의 편석 등과 같은 미세구조적 인자들에 의해 그 개시가 더욱 쉬워진다. IASCC의 성장은 일반적인 SCC 성장속도로 정량화된 CGR(crack growth rate)로 정의되고, 주로 CT 또는 SSRT 시편을 사용하여 측정된다. 또한, IASCC의 민감도에 대한 척도로서는 균열이 발생한 파면(fracture surface)에서의 전체 면적에 대한 입계부식균열 면적(%IGSCC)가 많이 사용된다. 연구결과에 의하면, 중성자 조사량의 증가에 따라 IGSCC 경향이 증가하는 것으로부터, 방사선 조사에 따른 물의 방사선 분해, 재료내 조사 결함, 경화, 입계 편석, 입계에서의 주요 원소의 조성 변화 등이 스테인리스강의 IASCC 저항성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 그림 2는 IASCC에 미치는 중성자 조사의 효과를 나타낸 것이다.
그림 2. IASCC 민감도에 미치는 중성자 조사의 효과
내부구조물 열화 관련 연구 내용
본 과제에서는 원자로 내부구조물 부품에서 발생할 수 있는 손상과 관련하여, 조사재 균열 민감도 평가, 방사선 조사효과 모사재 개발, 내부구조물 조사량 평가를 수행하고 있다. 이와 더불어, 내부구조물 부품별 열화기구(IASCC, swelling 등)를 규명하고, DB를 구축하며, 조사재의 재료별/환경인자별 균열 저항성 평가 자료를 생산하고 있다. 이를 통해, 최종적으로는 IASCC 균열성장 모델 개발을 목표로 하고 있다. 그림 3은 IASCC 실험장치의 일부와 실험 시편의 모습을 보여주고 있다.
그림 3. 내부구조물 부품의 IASCC 실험 장치의 일부와 실험 시편들의 모습