연구개요
가압중수로(CANDU)형 핵연료봉 집합체의 경우 인접한 연료봉들과의 접촉방지와 냉각수를흘려 보내기 위한 목적으로 Zircaloy-4 핵연료 피복관에 지지체(bearing pad), 간격체(spacer pad) 및 버튼(button) 등의 구조물들을 부착하게 된다. 현재 이러한 부착물들을 접합하는 상용 공정으로는 physical vapor deposition (PVD)으로 코팅된 Be 삽입재를 이용한 브레이징(brazing) 공정이 이용되고 있다. 하지만 이러한 상용 공정은, PVD 코팅 중에 발생하는 Be 가스의 인체 유해성, Zr-Be 공정반응으로 인한 높은 접합온도(1050°C), 과도한 피복관 침식 및 기공 결함 형성, 그리고 ZrBe2상을 포함한 공정조직 형성으로 인한 부식저항성 감소 등의 문제점을 야기하고 있다.
따라서, Be의 유해성을 근본적으로 제거할 수 있는 새로운 친환경적인 접합 공정 기술 개발이 절실히 요구되고 있으며, 유해상 및 미세조직 제어를 통해 접합부의 수명 및 부식 건전성을 더욱 향상시킴과 동시에 모재 침식을 최소화하여 피복관 잔류 두께를 확보할 수 있는 보다 선진화된 접합 기술 개발이 요구되고 있다. 본 연구팀에서는 Be의 유해성을 근본적으로 제거할 수 있는 새로운 무 베릴륨 특수접합 기술과 모재 침식을 최소화하여 피복관 잔류두께를 확보하고, 유해상 근절 및 미세조직 제어를 통해 접합부의 수명 및 부식 건전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 등온응고 저온고상 확산접합 기술을 개발하여 상용 핵연료 및 개량형 고출력/고연소도 핵연료 부품 제조의 핵심 원천 기술을 확보하고자 하고 있다.
최종목표
저융점 비정질 다성분계 삽입재를 이용한 Zircaloy-4 핵연료 피복관 부착물의 무 베릴륨(Be-free) 저온 고상 접합 원천 기술 개발 및 현장 적용 기술 확립
- 삽입재의 Be 함량 : 1% 이하 또는 0% (기존 100%)
- 접합온도 : 800~900°C (기존 1050~1100°C)
- 접합강도 : 모재강도의 90% (기존 50~60%)
- 냉각수 부식특성 : 모재대비 70~80% (기존 50~60%)
- 피복관 모재변형 : 잔류두께 0.35mm 이상 (기존 0.32mm)
- 결함(기공) : 기존 공정의 1/5 수준
주요 연구내용
- 무 베릴륨 저융점 비정질 삽입합금 설계 및 개발
- 등온응고 저온고상 확산접합 기술 개발
- 삽입재 균일코팅 및 부품 정밀 접합 공정 최적화
- 접합부 신뢰성 검증(접합강도/수명/내부식성)
- 현장 적용을 위한 실용화 기반 기술 확보
그림 1. 연구대상 및 개발 목표
그림 2. 연구개발 추진체계
주요 연구성과
중수로 핵연료봉 소재(Zircaloy-4) 접합용 다성분계 삽입합금 개발을 위하여 원자로 내에서의 1) 중성자 효율, 2) 열적, 조사손상 저항성, 3) 부식 저항성 및 4) 수소취화 저항성 등을 고려한 열역학적 조성 설계를 통하여 융점이 900°C 이하인 4종의 Be-free 다성분계 비정질 삽입합금을 확보하였다. 상용 삽입합금 및 본 연구팀이 새로이 개발한 삽입합금을 이용하여 Zircaloy-4 합금을 900°C 이하의 저온에서 접합하는데 성공하였으며 기공 등의 결함이 전혀 없고 모재와 유사한 구조를 가지는 아주 균일한 접합부 제어 기술을 확립하였다. 또한 저온 고상 접합 중에 발생하는 접합부의 등온응고 거동을 제어하여 취약한 편석층이 존재하지 않고 미세한 이차상이 균일하게 분포하도록 등온응고 접합부를 최적화하여 모재에서 파단이 일어나는 즉, 접합강도가 모재의 강도(530MPa)를 훨씬 초과하는 고강도 접합 기술을 구현하였다.
본 연구에서 개발된 Be-free 저융점 다성분계 삽입합금을 적용한 중수로 핵연료봉 부품의 정밀 접합 공정을 구현하기 위하여 삽입합금 균일 코팅 기술로 스퍼터링(sputtering) 방법을 적용하였다. 주조공정과 분말공정을 통한 다성분계 스퍼터 타겟 제조 기술을 확보하였으며 제조한 다성분계 단일 타겟의 스퍼터링 공정을 통하여 모재와 우수한 계면을 가지는 비정질 삽입합금 코팅기술을 확립하였다. 본 연구팀에서 개발한 다성분계 단일 타겟을 이용한 삽입합금 스퍼터 코팅 기술은 아주 균일한 조성분포를 가지면서도 타겟과 유사한 조성 및 융점을 나타내는 비정질 삽입합금 코팅층을 손쉽게 얻을 수 있어 중수로 핵연료봉 부품에서의 접합 신뢰성을 보장할 수 있는 정밀 접합 신공정으로 적용될 것이다.
그림 3. Zircaloy-4 저온고상 접합부(좌) 및 접합부의 접합강도(우)
그림 4. 다성분계 스퍼터 타겟(좌) 및 비정질 스퍼터 코팅층(우)
참고문헌
- M. K. Lee et al., J. Nucl. Mater. 426 (2012) 9.