개요
현재, 미래 원자력시스템의 구조재료로서 개발되고 있는 재료는 페라이트/마르텐사이트(Ferritic/Martensitic, F/M) 강, 산화물분산강화 (Oxide dispersion strengthened, ODS) 강, SiC 복합재료 등이 있지만 이 중, 단연 F/M 강이 지금까지 축적한 연구개발 데이터와 기존의 산업 인프라를 이용해 대량생산하는 실용화 측면에서 볼 때 가장 실용적인 재료라고 할 수 있다. 하지만, F/M 강은 고온에서 급격한 물성저하 일으켜 사용온도에 제한을 받게 되는데, 미래 원자력시스템의 고온/고방사선의 가혹한 환경에서 운용을 위해서는 ODS 강과 같은 물성이 강화된 합금의 개발과 적용이 필요하다. ODS 강은 F/M 강과 거의 동일한 조직적 성질을 가지며 더 우수한 고온강도특성과 내조사성을 가져 F/M 강의 성능한계를 극복한 재료라고 할 수 있기 때문에, 고속로용 연료피복관 등으로의 연구개발이 진행되는 등, 빠른 미래에 원자력시스템의 구조재료로서 국제적으로도 큰 주목을 받고 있다.
고강도 ODS 신합금의 원천 물질조성
ODS 강은 다양한 원자력선진국에서 4세대 원자로의 핵심 구조재료로 개발되고 있다. 우리나라는 2028년에 건설예정인 한국형 소듐냉각고속로 (Sodium-cooled fast reactor, SFR) 에의 적용을 목표로 독자 조성의 ODS 신합금을 개발하고 원천 물질조성을 획득하기 위해 연구하고 있다. 주 구성원소인 Fe, Cr, W 및 Y2O3 등을 중심으로 노내외 특성에 미치는 영향을 연구하고 최적 조성을 획득하여 고방사선 저항성 Fe 계 ODS 신합금 개발하는 것이 본 연구의 목표이다.
ODS 강은 통상적으로 Cr 함량에 따라 분류할 수 있는데, ~9 wt% Cr 을 함유한 저 Cr 계 ODS 강은 초기 SFR의 연료피복관용으로 개발되어 Martensite 조직에 의한 우수한 고온강도와 내조사성을 가진 것이 특징이다. 개발초기에는 Fe, Cr, W 및 Y2O3 등의 구성원소가 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 하지만, 9Cr계 ODS강은 초임계압수 (Super critical pressurized water, SCPW) 또는 납-비스무트 (Lead-bismuth eutectic, LBE) 등의 환경하에서 내식성 부족이 문제점으로 지적되고 있다. 대표적인 9Cr계열 ODS강으로는 일본 JNC의 9Cr-ODS, EU의 ODS-EUROFER 등이 있다.
통상, 저 Cr 계 ODS 강이 상변태로 인해 사용온도에 제한을 받는 것에 비해, 고 Cr 을 함유한 Ferritic ODS강은 12~22 wt% Cr 을 함유하며 750°C 이상까지 운용온도를 올릴 수 있는 잠재적 성능 때문에 전 세계적으로 활발한 연구개발 활동을 하고 있는 ODS 강이다. 대표적 합금으로는 일본 JNC의 12Cr-ODS, 교토대의 K-ODS강, 미국 ORNL 의 12YWT, 14YWT 등이 연구 중이다. 이 외에도 INCO사가 개발한 MA956, 957과 독일의 Metallwerk사가 개발한 PM2000등의 상용 ODS합금도 세계 각국에서 많은 연구 중에 있다.
그림 1. 고강도 ODS 신합금의 합금제조 및 특성평가
고강도 ODS 신합금의 제조 원천기술
고방사선 저항성 ODS 소재를 이용하여 미래 원자력시스템에 적용하기 위해서는 판재나 튜브와 같은 구조부품을 제조하기 위한 기술 개발도 진행 중에 있다. 고강도 신합금 구조부품 제조기술 개발을 위해 판재는 열간압연, 냉간압연을 적용하여 성형하며, 튜브재의 생산을 위해서는 열간압출, 냉간 필거링, 냉간 인발 및 열처리 기술을 적용하여 최종적으로 균일한 재결정 미세구조를 가지는 ODS 신합금 구조부품을 제조하는 것이 목적이다.
그림 2. 고강도 ODS 신합금의 구조부품 제조기술 개발
고강도 ODS 신합금의 접합 신기술
미래 원자력시스템의 노내 구조부품으로는 피복관, 와이어 및 덕트 등을 들 수 있으며 이러한 부품을 제작하기 위해서 ODS 신합금의 용접/접합이 요구된다. 하지만 통상적인 용융-고화과정을 거치는 용접법을 적용할 경우, 특유의 미세구조가 파괴되어 우수한 고온강도, 내조사성 및 내식특성이 저하하는 문제점이 있다. 이 때문에 확산접합, 천이액상접합, 마찰접합, 마찰교반접합 및 전자기펄스접합 등의 고상접합법 중심으로 연구가 진행되고 있다.