기술내용
제4세대 원자로인 소듐냉각고속로(SFR) 및 수소생산 초고온가스로(VHTR)는 60년의 장기간 사용되도록 설계목표를 하고 있으며, 운전온도는 효율을 높이기 위하여 기존의 원자력 발전소와 달리 매우 높은 온도에서 작동된다. 이와 같은 환경에서 사용되는 구조재료는 고온 크리프 영역에 놓이기 때문에 장시간 크리프 손상에 의한 재료 파괴 거동이 일어 날 수 있다. 그러나 고온 설계에 필요한 105시간 (11.4년) 이상의 장시간 크리프 파단 데이터를 실험적으로 얻는 것은 현실적으로 거의 불가능하므로 비교적 단시간의 크리프 실험 데이터로 부터 장시간 크리프 수명이나 강도를 정확히 예측하는 것이 필요하다. 지난 수년간 장시간 크리프 수명예측을 위하여 여러 가지 방법들이 개발되었으며, 이중에서 Larson-Miller (L-M) 파라메터 방법이 폭 넓게 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 기존의 L-M 크리프 수명예측 방법은 결정론적인 방법으로서 크리프 수명에 영향을 미치는 파라메타 값을 결정하는데 파단 데이터의 분산을 고려하지 않으며, 또한 실제 운전 중의 사용조건은 운전이력에 있어서 설계기준 범위의 부근에서 변동을 고려하지 않아 수명예측에 만족할 만할 결과를 얻지 못한다. 반면 통계적 방법은 크리프 파단 데이터의 통계적 분포 특성을 고려하기 때문에 정확하고 신뢰성 관점을 가지고 수명예측을 할 수 있다. 이와 관련한 수명예측 기술은 다음과 같다.
- 크리프 파단 데이터의 통계적 분포 특성을 고려하는 것으로 크리프 마스터 곡선과 실험 데이터 간의 오차 값의 통계적 분포 특성을 모사
- 원전 가동 중 온도 및 응력 변동을 고려하는 SCRI (Service-condition Creep Rupture Interference) 모델에서 Monte-Carlo 시뮬레이션에 의한 크리프 파단 데이터의 다수 난수 발생
- 실제 원전 가동 중 온도 및 응력 변동이 있을 경우의 장시간 크리프 수명예측 가능
- 장시간 크리프 파단 수명을 확률적 신뢰성(reliability) 관점에서 평가 가능
그림 1. 크리프 파단 데이터의 통계적 분포 특성 조사 예 (소재: Alloy 617)
그림 2. SCRI 모델 및 크리프 수명 평가를 위한 Monte-Carlo 시뮬레이션 절차 개념도
적용분야
- L-M 방법에서 재료상수인 최적 C 값 도출에 적용
- 고온 원전 구조재료의 장시간 크리프 수명예측에 적용
- 제4세대 원자로 건설시 크리프 allowable stress 예측 및 인허가 자료 제공
- 실제 원전가동 온도 및 응력 변동이 있을 경우의 장시간 크리프 수명예측에 적용
적용사례
수소생산 초고온가스로 중간열교환기 소재인 Alloy 617 및 소듐냉각고속로의 구조재료인 Modified 9Cr-1Mo 강(Grade 91 강)에 본 기술을 적용하여 장시간 수명을 신뢰성 관점으 로 평가하고 예측하였다.
그림 3. 온도 및 시험 데이터 산포를 고려한 크리프 수명 신뢰성 예측 적용 결과, Alloy 617
그림 4. 일정응력에서 온도 변화 및 일정온도에서 온도 변동이 있을 경우 크리프 수명 신뢰성 예측 적용 결과, Modified 9Cr-1Mo 강