냉각수의 방사선 분해
중성자 및 감마선 조사에 의해 물은 분자, 이온, 라디칼 등 다양한 화학종으로 분해되며, 선형에너지전이(LET)에 따라 낮은 LET를 갖는 감마선에 의해서는 주로 1차 반응이, 높은 LET를 갖는 중성자에 의해서는 1차 반응 및 2차 연쇄반응이 일어난다. 물의 방사선 분해로 식 (1)과 같이 1차 반응 생성물들이 만들어 지며, 생성물들의 2차 반응에 의해 식 (2)와 같이 O2를 포함한 여러 분자 및 재결합에 의해 H2O가 만들어 진다.
감마선에 의해 주로 생성되는 1차 반응물은 주로 라디칼들로 물로 재결합되지만, 중성자에 의해 주로 생성되는 2차 반응물은 주로 분자들로 냉각수와 접촉하는 노내구조물 재료의 부식전위에 큰 영향을 준다. 이러한 방사선 분해는 수화학, 중성자 선속밀도, 유속 및 온도 등에 의존하게 된다. 온도가 증가할수록, 물의 안정성은 증가하여 H2, O2 및 H2O2와 같은 분자의 생성 속도는 낮아지는 것으로 알려졌다. 특히 물 내부의 수소 농도를 높일 경우(수 ml/kg), 방사선 분해로 생성되는 라디칼, O2 및 H2O2 분자들이 H2O로 재결합되어 방사선 분해의 영향이 현저히 줄어드는 것으로 알려져 있다.
냉각수 방사선 분해의 영향에 대한 전기화학적 고찰
물의 방사선 분해로 발생하는 다양한 화학종들은 산화제 및 환원제로 작용하여 재료의 부식 전위에 영향을 주게 된다. BWR 수화학 조건에서 이러한 방사선 분해의 영향을 많은 연구가 이루어졌다. 실제 고온 고압의 BWR 원자로 내부 구조물의 부식 전위를 실험적으로 측정하기 어려웠으나, 많은 시도가 이루어졌고 일부는 성공적으로 수행되었다. 이로부터 BWR에서 물의 방사선 분해에 의한 Type 304 스테인리스강의 ECP 변화를 그림 1과 같이 보고하였다. BWR의 노심외부에서 재료의 ECP가 -100 ~ 100 mV(SHE)인데 비해, 노심에서는 이에 비해 250 mV 정도 높이 나타났다. 따라서 재료는 SCC에 민감한 산화전위영역에 놓이게 된다.
그림 1. Effect of radiation on the corrosion potential of type 304 stainless steel in 288°C water
그림 2는 PWR 수화학 조건에서 Type 304 및 316 스테인리스강의 ECP 계산 결과 및 기존 실험 결과들을 정리하여 도시한 것이다. O2와 같은 산화제가 없는 수질에서는 스테인리스강은 -700 ~ -800 mV(SHE)의 ECP를 가지며 이는 고온에서의 수소 전극 전위와 거의 일치한다. 그러나 소량의 O2 첨가로 인해 ECP는 수백 mV 이상 상승함을 알 수 있다.
그림 2. Comparison of calculated ECP for Type 304 and 316SS with experimental data obtained in various PWR water chemistries
IASCC에 미치는 수화학(O2 및 ECP)의 영향
그림 3은 BWR 수화학 조건에서 DO에 따른 %IGSCC를 여러 가지 조사량에서 측정한 결과를 함께 도시한 것이다. SCC에 미치는 DO의 영향과 유사한 거동을 보이며, 물의 방사 분해에 의해 발생되는 O2에 의해 %IGSCC가 증가됨을 간접적으로 알 수 있다. 특이할 점은 고온에서 예민화 열처리된 304 SS 시편의 경우 H2 주입으로 DO를 5 ppb 이하로 낮추면 %IGSCC가 0이 되지만, 중성자 조사된 시편의 경우 DO를 그 이하로 낮추더라도 %IGSCC가 완전히 0이 되지 않고 오히려 증가한다는 것이다. 즉 PWR 수화학 조건에서도 중성자 조사된 스테인리스강의 IASCC 발생 가능성이 BWR 조건보다 낮긴 하지만 여전히 존재한다는 것을 의미한다.
그림 3. %IGSCC versus DO of irradiated 304SS specimens determined from SRT in BWR condition
그림 4는 PWR 수화학 환경에서의 방사선 조사된 스테인리스강의 SSRT 결과들로부터 320°C의 PWR 1차측 환경에서 DH의 효과를 별도로 표시한 것이다. BWR 환경에서와 마찬가지로, H2 주입에 의해 DO를 5ppb 이하로 낮출 때 오히려 %IGSCC가 소폭 증가하는 경향이 있다. 이를 설명하기 위해 Kodama 등은 BWR 및 PWR 환경에서 DH가 IASCC에 미치는 영향에 대해 수소취성 기구의 가능성을 언급하였으나, 구체적인 실험적 검증은 아직 보고되지 않았다.
그림 4. Effect of dissolved hydrogen (DH) on IASCC of CW 316SS