연구 개요
탄화규소 세라믹 소재의 경우 고온 강도 및 중성자 조사 특성, 사고저항성이 뛰어난 장점이 있어, 가압형 경수로의 사고저항성 핵연료 피복관의 후보 소재 중 하나이다. 그러나 기존의 지르코늄 합금 소재와 달리 취성을 가지기 때문에 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 SiC 섬유에 의해 강화된 SiCf/SiC 복합체층을 도입하여 인성을 향상시켰다. 그럼에도 불구하고 복합체 소재의 경우 여전히 금속에 비해 취성을 가지며, 비교적 낮은 응력에서 SiC 기지상의 균열이 발생할 수 있기 때문에 핵분열 생성물의 담지능이 떨어진다. 따라서 핵분열 생성물의 담지능 향상을 위해 높은 밀도를 가지는 CVD SiC가 내층을 증착한다. 또한 장기간 안정성을 위해 고온 고압의 냉각수 환경에서 장시간 건전성을 유지할 수 있어야 하기 때문에 부식에 의한 기계적 강도 저하를 방지하고 SiCf/SiC 복합체 층의 보호를 위해, CVD로 제조된 SiC 내환경층이 코팅이 된다. 그러나 SiC 가스기밀층과 SiC 내환경층은 섬유에 의한 강화가 이루어지지 않았기 때문에 균열에 취약할 수가 있으며, 이는 핵분열 생성물의 담지능과 부식에 대한 저항성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 균열의 전파거동에 대한 이해가 필요하며, 복잡한 구조를 가지는 SiC 복합체 피복관의 건전성 및 신뢰성을 평가하기 위해 와이블 평가가 이루어 졌다.
삼중층 SiC 복합체의 제조
우수한 성능을 가지는 삼중층 SiC 복합체를 제조하기 위해서는 SiC의 고밀화와 복합체 패턴의 최적화가 이루어져야 한다. 섬유 와인딩 기술을 이용하여 복합체 강화 섬유의 패턴을 조절함으로써, 섬유의 끊김을 줄이고 섬유 충진 밀도를 높였으며, 이로 인하여 SiCf/SiC 복합체층의 강도와 균일성을 향상 시켰다. 고밀도의 SiC 내층과 SiC 외층, SiCf/SiC 복합체층의 기지상은 메틸트리클로로 실란(CH3SiCl3)을 원료 물질로 사용하여 저압 화학기상증착법을 통해 제조되었고, SiC 섬유와 SiC 기지상 사이에 균일한 열분해탄소 계면층을 증착시킴으로써 인성의 향상을 도모하였다.
(a) (b)
그림 1. SiC 섬유 프리폼(a) 및 삼중층 SiC 복합체 튜브의 미세구조(b)
삼중층 SiC 복합체의 기계적 강도
제조된 삼중층 SiC 복합체의 후프 강도를 평가하기 위해 10 mm 길이의 튜브 샘플에 폴리우레탄 플러그를 삽입한 후 플러그의 압축응력을 가하여 파단 강도를 측정하였다. 삼중층 SiC 복합체 튜브의 팽창 변형량은 4개의 변위계를 이용하여 측정하였으며, 다음과 같은 식에 의해 후프 강도를 계산하였다.
P는 내부 압력, ri는 내경, ro는 외경을 나타낸다. 삼중층 SiC 복합체의 와이블 분석을 통해 신뢰성을 평가하였다. 최대 하중에서 평균 후프 강도는 284 MPa으로 측정되었으며, 이 때 와이블 값은 11.05로 우수한 강도 및 신뢰성을 가지는 것으로 나타났다.
그림 2. 삼중층 SiC 복합체 후프 강도 측정을 위한 장치
(a) (b)
그림 3. 삼중층 SiC 복합체 튜브의 하중-변위 곡선(a)과 와이블 분포(b)
삼중층 SiC 복합체의 균열전파 거동 평가
삼중층 SiC 복합체의 균열 거동은 핵분열 생성물의 담지능 및 부식저항성 관점에서 매우 중요한 요소이다. 이러한 균열 전파 거동을 평가하기 위해 음향방출(acoustic emission)을 이용하여 응력에 따른 균열의 시작 및 전파 거동을 평가하였다. 삼중층 SiC 복합체는 최대 응력에 도달하기 전 하중 감소 현상이 발생하며, 이 때 큰 에너지를 방출한다. 이러한 에너지의 방출은 두꺼운 SiC 내층의 파단에 의해 유발하는 것으로, 내층의 파단 이후 지속적인 에너지의 방출이 일어 났으며, SiCf/SiC 복합체층에서의 미세균열의 발생에 기인하는 것으로 나타났다.
(a) (b)
그림 4. 삼중층 SiC 복합체 튜브의 후프 시험 도중 음향 방출 신호(a) 및 하중-음향방출 에너지간 상관관계(b)