연구개요
수소생산용 초고온 가스로는 헬륨을 냉각재로 950oC의 온도에서 60년간 사용할 수 있도록 설계되므로 공기 분위기에서의 장시간 크리프 데이터의 보충뿐만 아니라 부족한 헬륨 분위기 크리프 데이터를 확보하여야 한다. 공기 및 헬륨 분위기에서의 단․중기 크리프 특성 데이터를 얻고, 크리프 파단된 시편의 미세구조의 변화를 관찰하여 헬륨 분위기에서의 특성 저하 원인을 분석하였다. 또한 단시간의 크리프 파단 데이터를 이용하여 장시간에서의 크리프 파단 강도를 예측할 수 있는 multi 상수 방법을 새롭게 개발하였다. 소듐냉각 고속로(SFR)의 주요 고온 구조재 및 초고온가스로 압력용기 후보 재료인 Gr. 91 강에 대한 모재, HAZ, 용접부에 대하여 크리프 및 크리프 균열성장 거동을 평가하고 평가 모델식을 개발하였다. 당 연구팀에서 생산한 시험 데이터는 Gen-IV 재료 DB를 구축하는데 기여하고 있다.
최종목표
초고온 가스로 중간 열교환기(IHX) 재료인 alloy 617의 고온 설계 데이터 생산 및 Gen-IV 재료 데이터베이스 구축에 기여하기 위해, alloy 617의 105시간 이상의 등시-응력 변형곡선 (Isochronous stress-strain curve, ISSC) 설계 자료를 구축하고, 크리프 및 크리프 균열성장 모델식 개발하여 alloy 617 장시간 수명예측 기술을 개발한다.
주요 연구내용
보유 장비 현황은 그림 1과 같으며, 연구 대상 재료는 그림 2에서 압력용기 (RPV) 후보 재료인 Gr. 91 강과 중간열교환기 재료인 Alloy 617 이다. 주요 연구 내용은 아래와 같다.
- Alloy 617 공기, 헬륨 분위기 크리프/피로 거동 평가 및 데이터 생산
- Alloy 617 장시간 수명예측 기술 개발
- Alloy 617 공기, 헬륨 분위기 산화거동 평가 및 미세조직 분석
- Alloy 617 용접 특성 평가 및 데이터 생산
- Gr. 91 모재, HAZ, 용접부 크리프 물성 평가 및 데이터 생산
- Gr. 91 모재, HAZ, 용접부 크리프 균열성장 거동 평가, 해석, 모델식 개발
- Gen-IV 보고서 발행 및 데이터베이스 자료구축
그림 1. 초고온가스로 연구대상 부품
주요 연구 성과물
주요 연구 항목에 대하여 얻은 연구 결과는 multi 상수방법에 의한 alloy 617 장시간 크리프 수명예측 기술을 개발하였다. Alloy 617의 대기, 헬륨 분위기 크리프/피로 거동과 산화거동을 평가하였다. Gr. 91 모재, HAZ, 용접부 크리프/크리프 균열성장 거동 평가하였으며 그리고 이들 시험 결과들은 Gen-IV 재료 DB 구축을 위한 자료로 기여되었다. 2004년부터 당 연구팀에서 얻은 주요 연구 성과물 목록은 아래와 같다.
- 논문 게재 편수 : 총 42편중에서 SCI 논문 게재 15편
- 논문발표 (국내외 포함) : 144편
- KAERI 보고서: 3건
- 연계자료 : 5건
- 특허 등록 : 2건
- 프로그램 등록: 1건
- 설계문서(계산서) : 32건
- Gen-IV 보고서 제출 : 총 29건
그림 2. Alloy 617의 장시간 수명예측(Multi 상수 방법)
그림 3. 950°C 공기 및 헬륨 분위기 크리프 특성 비교
(a) 공기 (파단시간 4,943h, 20MPa @ 950°C)
(b) 헬륨분위기 (파단시간 2,021 h, 20MPa @ 950°C)
그림 4. 공기 및 헬륨 분위기 크리프 산화 조직 사진
그림 5. 공기 및 헬륨분위기에서의 시험 온도별 크리프 산화층 두께
그림 6. Gr. 91강의 HAZ의 크리프 균열성장속도식