금속이온 용출 영향
철, 니켈 및 코발트 부식생성물은 주로 원자로 노심 외부의 부식으로 생성된다. 특히 니켈은 증기발생기 전열관 재료로 부식에 강한 합금 600 또는 690을 사용하고 있으나 상대적으로 냉각수와 접촉하는 표면적이 넓기 때문에 이온으로 용출되는 양이 많게 된다. 1차계통 부식률은 그 속도가 극히 낮고 계통 건전성이나 성능에 미치는 영향은 없으나, 방사능 준위의 증가와 핵연료 표면에 침적되어 크러드를 형성하게 된다. 보통 철 부식은 pH 10~11에서 최소가 되며 스테인리스강과 합금 600의 부식도 이와 비슷하다. 부식생성물들은 용해도 차이에 따라 용해되거나 침적된다. 니켈과 철의 용해도는 온도, pH 및 산화환원과 냉각계통의 위치에 따라 달라진다. 각 부위의 pH는 붕소가 제거되는 시간에 따라 변하고, 산화환원 전위는 용존수소 농도의 변화에 따라 역전될 수도 있다. 이러한 차이는 부식생성물의 용해도 변화를 가져와 농도가 용해도 한계를 넘으면 침전되고 작을 경우에는 용해된다. 온도, pH 및 산화환원 전위의 함수관계에 있는 용해도는 리튬농도로 조절할 수 있다. 증기발생기 전열관에서 용출된 Ni, Co 등의 부식생성물은 일차냉각계통을 순환하는 동안 핵연료봉 표면에 부착되어 방사화 된다. 부식생성물인 니켈페라이트(NiFe2O3) 안에 있는 철과 니켈의 용해도가 냉각재 온도와 pH에 의존하여 변하는 특성을 이용하여 중성에서 약 염기성 영역으로 일차계통의 수질을 관리함으로써 저온측(증기발생기)에서의 용해도에 비해 고온측(핵연료봉 표면)에서의 용해도는 높여서 증기발생기에서의 용출을 억제하면서 핵연료봉 표면으로 부착되는 것을 억제하기 위한 수질 제어 방법이 연구되고 있다.
이온용출 억제 표면 개량 연구
이온 용출을 완화할 수 있는 표면개량 방안으로 모재보호를 위한 코팅기술 및 산화제 주입을 통한 안정피막 형성 방법이 있으나 코팅기술은 박막이 벗겨질 경우 부분적인 부식반응과 코팅된 재료와의 사이에서 틈새부식반응이 발생하여 종래의 부식손상보다 더 큰 손상을 일으킬 수 있고 산화제 주입 방법은 고온에서 가동하는 조건에서 피막 형성과 유지 방법에 대해 정확한 반응 매카니즘이 규명되어야 하며 적용 금속 이외의 핵연료 클래딩과 같은 여타 금속 표면에서 악영향이 발생하지 않는다는 요구조건을 만족해야 한다. 금속표면 개량 기술 중 전해연마 방법은 표면조도를 향상시키고 표면층에 조성된 미세변형을 해소함으로써 표면에 형성되는 산화막을 부동태화 하여 모재 금속 이온의 용출을 완화할 수 있다.
그림 1은 304 스테인레스강의 표면 처리 방법에 따라 부식속도의 차이를 보여준다. 기계연마 가공에 비해 전해연마 처리된 금속의 부식속도가 1/3정도로 감소함을 알 수 있다.
그림 1. EP 304SS의 부식속도 1/3 감소[1]
일반적으로 전해연마는 전해액에 용해되는 금속제품을 양극으로 사용하고, 전해액에 불용성인 금속을 음극으로 사용하여 양극과 음극 상이에 전압을 인가함으로써 금속 표면에서 전기분해를 일으켜 연마하는 방법이다. 전해연마가 진행되면 양극으로 용해된 금속이온을 다량 함유한 고점도 액체층(점성층)이 양극을 둘러싸게 된다. 금속이온으로 포화된 점성층에서는 더 이상 금속이 용해되지 않고 높은 양극 전위를 형성하므로 산소와 활발히 결합하여 산화물 피막을 형성한다. 이때 용해된 금속이온은 금속표면의 오목한 부분에 주로 축적되며, 오목한 부분에서는 금속이온의 이동과 확산이 적어, 전기가 잘 통하지 않으므로 금속이 용해되지 않는다. 반면 금속 표면의 튀어 나온 부분에서는 금속 이온층이 얇게 형성되므로 전류가 이 부분으로 집중되어 금속 표면을 쉽게 용해시켜서 전체적으로 금속 표면이 평활하게 된다. 전해 연마법은 기계적 연마법에 비해서 연마 표면의 평탄화, 광택화 및 크롬 산화 부동태막을 형성하는 장점이 있으나 금속 재료별로 전해연마 조건이 환경과 재료의 상태에 따라 적정상태가 달라지므로 연마 안정성의 신뢰도를 높이기 위한 최적 조건을 찾는 연구가 필요하다.
증기발생기 전열관 재료 이온 용출 억제 연구
본 연구에서는 증기발생기 전열관 재료의 금속이온 용출을 완화하여 핵연료 건전성을 유지하고 방사화 원인 물질을 사전에 감소시키데 목표를 두고 있다. 이를 위해 다음과 같은 연구내용을 수행하고 있다.
- 표면층 미세변형, 표면조도, 압축응력효과 실험 및 다중인자 영향 평가
- 용출완화 안정피막 형성기술 개발
- 용출완화 후보합금 설계/제조, 규격 기준 최적화 및 성능실증 종합평가
참고문헌
- Ziemniak et al, Corr. Sci. 2465-2477, 2008