개요
세계 주요 원전 보유국은 지속성, 경제성, 안전성과 신뢰성 및 핵확산저항성을 목표로 제4세대 미래 원자력시스템을 개발하고 있다. 우린나라는 제4세대 미래 원자력시스템으로 소듐냉각고속로와 초고온가스로를 개발하고 있다. 고속로의 경우 현재까지 실험로, 원형로 및 실증로는 운전하였거나 운전하고 있지만, 전기를 생산하는 상용로는 아직까지 실현되지 않고 있는데, 근본적인 이유는 현재까지 사용 가능한 상용 재료를 고속로의 노심 구조재료로 적용할 경우 원자로의 경제성과 안전성을 충분히 확보할 수 없기 때문이다. 이에 따라 한국원자력연구원 원자력재료개발부에서는 미래 원자력시스템에 적용 가능한 산화물분산강화 (Oxide dispersion strengthened, ODS) 합금을 개발하기 위한 연구를 활발히 진행하고 있다.
ODS 강은 합금기지내에 수 nm 의 산화물을 균일하고 고밀도로 분산시켜 고온강도와 내조사성을 획기적으로 향상시킨 합금으로, 현재 국제적으로 미래원전 구조재료로서 경쟁적으로 개발하고 있는 분야이다. 통상 ODS 강은 기계적 분말합금법 (Mechanical alloying, MA) 에 의해 제조된다. MA 는 원료분말을 균일한 합금입자로 생산하는 방법인데 International Nickel Company (INCO) 의 J. Benjamin 등이 1960년대 중반 처음으로 개발하였다. 처음 이 기술은 가스 터빈용의 니켈 초합금(Super alloy)의 제조에 사용되었는데, 미세한 산화물 입자의 분산강화에 의해 고온강도의 획기적 향상이 이루어졌다. 이 공정은 경질 볼의 상호 충돌에 의해 원료들이 기계적으로 부스러지게 되고, 이러한 기계적 충돌에너지에 의해 각 입자의 내부에 구성원소를 미세하고 균일하게 합금화시킨다. ODS 강의 강화 메커니즘은 변형 중에 금속기지 내에 미세 분산된 산화물입자의 전위이동 억제에 의해 발생하게 되는데, 이 때문에 미세 분산된 산화물의 입도와 입자간 평균거리 그리고 분산밀도가 매우 중요하며, 이것이 높은 크리프 강도를 결정하는 주요인자가 된다.
본 개발부에서는 지금까지의 ODS 합금개발 경험을 바탕으로 고강도 신합금개발, 구조부품 제조기술 개발 및 접합기술개발을 목표로 하여 극한환경 저항성 고강도 신소재를 개발하고 있다. 이를 통해 미래 원자력시스템에 적용 가능한 신소재 개발기술을 수립하여 원천기술의 확보를 기대하고 있다. 극한환경 저항성 고강도 ODS 신소재를 개발하기 위한 현재 진행 중인 연구는 ‘고방사선 저항성 고강도 신합금 개발’, 고강도 신합금 구조부품 제조기술 개발‘, ’구조부품 접합기술 개발‘ 등이 있다.
그림 1. ODS 강의 미세조직
그림 2. 고방사선 저항성 고강도 신소재 개발 추진전략