연구개요
제 4세대 미래 원자력시스템의 개발 및 구현을 위해서는 해당 시스템 주요부품의 소재를 확보하는 것이 매우 중요하게 인식되고 있다. 이는 미래 원자력 시스템의 경우 기존 가압경수로의 운전조건과 비교하여 훨씬 더 가혹한 운전조건을 상정하고 있기 때문이다. 가압경수로 피복관의 온도는 약 400°C에 이르는데 반하여 소듐냉각고속로의 경우 600°C 이상에 이를 것으로 예상되고, 초고온가스로의 hot gas duct이나 중간열교환기는 900°C 이상의 초고온을 상정하고 있다. 개발하려는 미래 원자력 시스템의 핵심부품들은 기존의 상용재료를 바탕으로 설계의 개선 및 최적화 등을 통해서 소요 특성의 일정부분을 담보해낼 수 있을 것이나, 또 한편으로는 해당 핵심 부품을 위한 신소재를 개발하여 안전성 및 경제성을 제고함으로써 다른 원자력 시스템과의 경쟁력을 확보하여야할 것이며 또한 다른 나라들과의 기술경쟁력을 갖추는 것이 시스템 개발에 매우 중요하다 할 것이다.
본 연구는 향후 초고온가스로의 개발 및 상용화에 필수적인 초고온용 니켈기 합금개발을 추진함에 있어서 초고온에서도 안정한 나노크기의 산화물 혹은 나노 클러스터를 니켈기 합금의 기지 내에 분산시킴으로써 900°C수준의 초고온에서 장기적으로 기계적 강도를 유지할 수 있는 소재를 개발하고자 한다. 이를 위해서 현재 초고온가스로의 주요 부품의 후보소재로 국내외에서 주목받고 있는 상용 니켈기 합금 (Ni-22Cr base)들에 기계적합금화 (MA; mechanical alloying) 공정을 활용하고 있다. 또한 기존의 MA공정을 대체할 수 있는 in-situ 나노 복합분말 제조기술 개발을 시도하고 있다. 이 기술은 MA 공정과는 현저히 달라서 획기적인 생산성 향상을 기대하고 있다.
그림 1. 초고온가스로(VHTR)의 개념도
또한 결정립계 조절 및 설계 기술 (GBE; Grain Boundary Engineering)은 금속소재 내 존재하는 서로 다른 특성의 결정입계들을 분석하고 또한 특정 공정을 통하여 결정립계 특성분포를 개선함으로써 벌크소재의 특성을 개선하고자 하는 것으로, 특히 severe plastic deformation 등을 통하여 결정립의 크기가 나노크기 수준으로 되면 단위 부피당 결정립계 면적은 기하급수적으로 늘어나므로 중성자 조사 저항성이 개선되는 대신에 고온 기계적 특성이 저하될 수 있으므로 이러한 경우 입계특성분포를 조절할 수 있는 기술을 확보하는 것은 매우 중요한 기술이라 할 수 있다. 현재 미국 Texas A&M 대학과의 협력연구를 통하여 ECAP (Equal Channel Angular Pressing) 기술을 활용한 오스테나이트계 스테인리스강 및 자체 개발한 12Cr ODS강의 결정립을 수백 나노미터 수준까지 미세화하고 열적 안정성을 확인하고 또한 다양한 열처리 기법을 통하여 입계 특성을 변화시킴으로써고온기계적 특성을 향상시키는 연구를 진행 중이다.
최종목표
제 4세대 미래 원자력시스템 핵심부품에 적용가능한 극한환경용 원천 나노클러스터 강화 니켈기 합금 개발 및 나노결정립 소재의 입계특성분포 조절 기술 확보하고자 한다.
주요 연구내용
- 나노클러스터 강화 니켈기 시험합금 (Alloy 617, alloy XR 및 alloy 230-base) 제조 및 특성평가; 3 kg/batch, 700°C 인장특성 300 MPa, 470 MPa
- 원자력재료 고온 기계적 손상 평가기술 개발: 고온 싸이클릭 크리프 및 응력이완 실험장치 설치 및 예비 실험 ; Gr. 91 강 @ 650°C
- In-situ 나노 니켈-, 니켈-코발트 금속분말 및 이트리아 포함 니켈기 나노 복합체 제조 기술 확인; 국내 특허 출원 (10-2011-0058693)
그림 2. 나노입자 분산강화 니켈기초합금의 개발 추진체계
주요 연구성과
상용 니켈기 고온합금을 기지상으로 하여 나노크기의 이트리윰 산화물을 분산시킴으로써 기존 합금대비 700°C에서 고온 인장특성이 40% 이상 상승한 것을 확인하였다. 이들은 향후 900°C에서의 인장특성 및 고온 크리프 특성 평가를 통하여 그 우수성 여부를 확인할 것이다.
또한 기계적합금화 공정이 아닌 화학공정을 활용하는 in-situ 나노 복합분말 제조기술 개발하고 국내특허를 출원하였다. 아래에 in-situ 나노 복합분말제조 기술을 통하여 제조된 나노입자분산 합금분말을 주사전자현미경 및 에너지분산 화학분석기를 통하여 관찰 및 미세부위 조성을 확인한 결과를 보여주고 있다.
그림 3. 나노입자 분산강화 니켈기초합금의 미세구조 및 조성