소듐냉각고속로(Sodium Fast Reactor)

원자력에너지 활용에 대한 대국민적인 합의를 도출하기 위해서는 원자력발전의 경제성, 안전성, 지속성, 핵확산 저항성 및 안전한 방사능 폐기물의 처리 방안 등이 확보되어야 할 것이다. 이러한 요구에 부응하기 위한 기술적 해결방안으로써 초고온가스로, 초임계수로, 소듐냉각고속로 및 액체금속냉각로 등 다양한 미래 원자력시스템들이 제시되었다. 이 중 우리나라에서는 소듐냉각고속로(그림 1)가 가장 가능성 있는 미래 원자력시스템으로 제시되고 있으며, 이에 대한 집중적인 연구개발을 진행하고 있다. 고속로는 지난 30 여 년간의 연구개발 경험을 토대로 상당한 수준의 기술이 축적되어 있는 상태이며, 여러 원자력 선진국들 간의 협력연구가 활발히 진행되고 있는 중이다. 고속로 개발에 있어 중요한 관심사 중의 하나는 경제성을 향상시키는 것에 있으며, 이를 위해 중성자조사에 대한 저항성이 높은 재료의 개발과 이를 통해 원자로의 수명을 증가시키고자 하는 노력을 진행하고 있다. 이 분야의 재료개발에 있어서는 주목할 만한 성과를 이루어 왔으며, 그 한 예로 180 dpa이상의 조사손상에도 견딜 수 있는 페라이트계 강을 개발한 것을 들 수 있으며, 이러한 소재는 현재 250 dpa를 목표로 연구개발이 지속적으로 진행 중이다.

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그림 1. 소듐냉각고속로의 개념도

페라이트계 강의 개발은 화력발전소의 보일러나 증기발생기에 활용하기 위해 개발된 크립저항성이 우수한 저합금강의 개발에 그 기원을 두고 있으며, 고속로에 적용 가능성을 확인한 1970년대부터 지금까지 이를 원자력발전 소재로 활용하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그 결과 조사팽윤에 대한 저항성이 높은 상용 페라이트계 강이 개발되었으며, 우수한 조사팽윤 저항성, 조사 과정에서 전위와 점결함들의 상호작용, 등에 대해서도 많은 연구가 수행되었다. 페라이트계 강의 강화기구나 변형기구, 합금원소의 영향, 미세조직 안정성뿐만 아니라, 조사경화와 관련된 조사온도, 응력 등의 영향에 대해서도 많은 연구가 수행되어 왔다. 다양한 페라이트계 강 중에서 미래 고속로 활용에 관심을 받고 있는 소재는 Cr이 약 9-12% 정도 첨가된 페라이트-마르텐사이트계 강이며, 또한 700도 이상의 온도에서 사용이 가능한 산화물분산강화 페라이트계 강에 대한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다.

페라이트계 강의 야금학적 기초

고성능 페라이트계 또는 페라이트-마르텐사이트계 강 개발의 기원은, 250도 미만의 온도에 적용이 가능한 C-Mn계 강에 활용온도를 600도 정도로 높이기 위해 Cr이나 Mo을 첨가한 것이다. 페라이트-마르텐사이트계 강은 간단한 열처리로 쉽게 미세조직을 제어할 수 있으며, 이를 통해 기계적 특성을 조절할 수 있다는 중요한 장점을 가지고 있다. 또한 Cr, Si, Mo, V, C 등과 같은 합금원소의 첨가량에 따라 다른 형태의 bcc 페라이트 상을 갖는 미세조직을 얻을 수 있는 특징을 가지고 있다. 전반적인 상태도는 이러한 합금원소들의 조합이 갖는 Cr당량으로 결정될 수 있다(그림 2). 페라이트 안정화원소 첨가에 의한 Cr당량의 증가는 노말라이징 열처리 온도에서 안정상을 이상조직 영역으로 옮기므로 완전한 마르텐사이트 조직을 얻기 위해서는 Cr당량을 적절한 수준으로 조절해야 한다. 노말라이징 온도에서 완전한 오스테나이트 상으로 변태가 되면, 이후 냉각속도에 따라 다양한 형태의 상온 안정상 및 석출물들이 생성되며(그림 3), 이에 따라 강종(페라이트 또는 마르텐사이트, 또는 이들의 혼합)이 결정된다.

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그림 2. Fe-Cr-C계 합금에 대한 준이원계 상태도

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그림 3. 고온의 오스테나이트나 조직으로부터 냉각속도에 따른 상분해 특성

Cr-Mo계 강에 대한 기계적특성 평가는 오랜 기간동안 심도있게 수행되어 왔으며, 이를 통해 9Cr, W-2Mo=3, Si=0.5의 조성에 C, B, V, Nb, 및 Ta이 소량 첨가될 경우에 가장 최적화된 특성을 보이는 경향이 확인되었다. 가장 중요한 합금원소인 Cr의 경우, 그 함량의 증가는 경화능을 향상시켜 마르텐사이트를 쉽게 형성시키는 효과도 있지만, 델타 페라이트 형성을 촉진하여 인성을 감소시키는 효과도 있다. 반면 Cr의 함량이 낮아지면 산화저항성이 낮아지는 문제가 있다.

W이나 Mo의 경우는 그 총 함량이 3% 이하일 때 크립강도가 감소되며, 이 보다 함량이 높을 경우에는 델타 페라이트나 취성 석출물인 Fe2Mo Laves상을 형성시키는 문제가 있다. W이나 B의 첨가는 M23C6탄화물의 안정성을 향상시키고, 회복속도를 낮추는 효과가 있다고 알려져 있다. Si의 경우는 그 함량 0.3%이하일 경우에는 산화저항성이 나빠지며, 그 보다 높을 경우에는 탄화물의 조대화나 델타 페라이트의 형성을 증가시키는 문제를 발생시킨다.

Document ID: d20120073