연구개요
탄소강 소재는 가격이 저렴하고, 가공성 및 용접성이 우수하여 2차 냉각계통 배관의 주요한 소재로 사용되고 있으나, 고온의 유속이 빠른 환경에서는 탄소강의 부식이 가속되는 FAC 현상에 의해 배관 두께의 감육현상이 발생하며, 이로 인해 배관의 건전성을 심각하게 저하시킨다. 이로부터 국내외의 여러 원전에서 두수의 배관 감육 현상 및 이로 인한 파단사고가 발생하였고, 특히, 일본 미하마 원전의 경우에는 주급수 배관(직관부)의 감육에 의한 파단 사고가 발생하여 사망 4명, 의식불명 2명, 중경상 5명의 큰 사상자가 발생한 사례가 있다. 이처럼 배관 감육에 의한 파단 사고는 단계적인 파손이 아닌 일시적인 파손 즉, 예측하지 못하는 파단사고가 발생하기 때문에 미처 대비하지 못하여 사망사고가 발생하게 된다. 따라서, 이러한 배관 감육 및 이에 따른 예측 불가능한 파단에 의한 사고를 방지하기 위해서는 원자력 가혹 환경에서 우수한 내환경 특성을 갖는 원전 배관의 신소재에 대한 기대가 증대되고 있지만, 현재 이러한 문제점들을 극복할 수 있는 내환경 소재가 없는 상황이다. 또한, 소재의 특성상 기술 개발 기간이 장기간이며 경제성 있는 소재의 개발이나 현장 적용이 현실적으로 어려운 실정임. 그러므로, 새로운 신소재의 설계 및 제조 등의 소재 개발 기술 보다는 소재의 물성 향상은 물론 경제성 및 현장 적용성을 동시에 만족시켜줄 수 있는 소재 개량 기술의 개발이 필요할 것으로 사료되며, 이는 기존의 소재 공정 및 기술을 십분 활용함으로써 원전 부품으로의 실용화 가능성이 높은 기술이어야 할 것이다. 이에 본 연구에서는 기존 탄소강 소재에 대해 강도 및 내환경 특성 향상을 위한 미세한 세라믹 입자를 기지 내에 균일하게 첨가할 수 있는 분산주조기술을 개발하여 기존 소재의 단가를 크게 상승시키지 않으면서 우수한 FAC 저항성을 갖는 고강도 내환경 탄소강 소재를 개발하고자 한다.
최종목표
상용 소재 (SA106B) 대비 강도 10% 이상 향상되고 세계 최고수준의 FAC 저항성(0.2mm/yr)을 보유한 고유 브랜드의 원천 탄소강 배관소재의 상용화 기술 확보
주요 연구내용
- 나노세라믹 분산주조용 복합분말 강화재 제조
- 나노세라믹 입자 기지 내 균일분산주조 기술 최적화
- 개량 탄소강 소재 분산강화 특성 및 고온 FAC 저항성 비교 평가
그림 1. 연구대상 및 개발 목표
그림 2. 연구개발 추진체계
주요 연구성과
탄소강 용탕 내의 장입율을 개선하기 위하여 고에너지 기계적 표면활성화 기술을 이용하여 50나노미터급 상용 나노 TiC 입자를 포함하는 복합분말 강화재 분말을 제조하여 분산주조를 수행하였다. 그 결과 탄소강 용탕 내의 장입율을 80% 이상으로 향상시켰으며, 주조 시편의 매크로 조직 상에서 등축정의 분율이 2배이상 증가되었다. 또한 미세조직 관찰을 통하여 나노 TiC 입자의 기지 내 균일 분산에 의한 grain size 미세화를 실현하였다. TEM 분석을 통하여 탄소강 기지 내에 균일하게 분산되어 있는 나노 TiC 입자를 확인하였다. 기계적 특성 평가 결과 나노 TiC 입자가 분산될 경우 브리넬경도, 인장강도 및 항복강도는 10% 가량 증가하였으며, 연신율 및 충격에너지 값은 거의 감소하지 않았다. FAC 저항성은 현재 오토클레이브 루프 시험장치를 구축하여 진행 중이며 연내에는 FAC 저항성을 비교 평가할 수 있을 것으로 사료된다.
그림 3. 나노 TiC 입자 분산 개량 탄소강 매크로 조직 특성
그림 4. 나노 TiC 입자 분산 개량 탄소강 미세조직 특성
그림 5. 개량 탄소강 내 분산된 나노 TiC TEM 사진
그림 6. 나노 TiC 입자 분산 개량 탄소강 상온 기계적 특성
참고문헌
- S.H. Lee et al., J. Nanosci. Nanotechnol. 10 (2010) 258.
- J.J. Park et al., 2nd Joint IAEA-EC Topical Meeting, Ispra, Italy, April 16-20 (2012) K5-29.