[논문]원자로용 핵연료 피복재의 인장특성에 관한 연구

배봉국; 송춘호; 석창성

doi:10.3795/ksme-a.2003.27.2.231

문제 정의

본 연구에서는 핵연료 피복관의 파괴특성을 조사하기 위한 기초연구로써 피복관으로 사용되는 재료의 펼침가공과 인장방향에 따른 강도특성 을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 튜브형 재료를 그대로 가공하여 제작한 시험편, 판형이 되도록 펴서 제작한 시험편, 이렇게 두 종류를 준비하여 가공에 의 한 영향을 살펴보았고, 길 이방향과 원주방향으로의 인장시험을 수행하여 방향에 따른 영향을 함께 검토하였다°F

가설 설정

15에서 (a)는 원주방 향 시험편을 나타내는 것으로써 이 중 연신부에 해당하는 A부분이 시험과정동안 변화하는 모습을 오른쪽에 나타내었다. 우선 펼침가공을 한 시험편은 펼침에 의해 (c)까지 변형된 상태에서 인 장시 험 에 사용되며 펼침가공을 하지 않은 링형 시험편은 (b)상태에서 인장시험에 사용되게 된다. 하지만 링형 시험편은 인장시험시 굽힘응력이 작용하여 (c)의 과정을 거쳐서 파단에 이르게 되므로 펼침가공을 통해 발생하는 잔류응 력 과 동일한 형태의 응력이 시험 중 가해지게 된다.

제안 방법

시험에 사용된 재료는 원자로의 핵연료 피복관으로 사용되는 Zircaloy-2, Zircaloy-4, 그리고 Zirlo 로서 화학적 성분은 Table 1과 같다. Fig. 1의 사진과 같이 피복관의 크기가 작으므로 ASTM E8 과 기존의 연구를 참조하여 표준시험편보다 작은 소형시험편(mini-specimen)을 제작하였다.。)
5는 원주방향 시험편 고정용 그립으로서 링(ring)형의 시험편을 핀에 걸고 핀을 그립 안쪽 에 밀어 넣어 중앙에 고정시키도록 설계하였다. 그립과 핀의 재질로 S45C를 사용하였으며 허용 하중이 시험편의 파단하중 보다 충분히 큰 값을 가지도록 설계하였다. 시험편 안쪽에 두 개의 핀을 넣고 아래 위 그립에 동시에 밀어 넣은 후 인장을 가하여 시험하게 된다.
2에서 보인 시험편 중에서 판형 시험편 ((c), (d))의 경우 일반 판형 그립을 사용하여 고정 시켰으나 그렇지 않은 시 험 편((a), (b))의 경우 에는 시험편을 고정시키기 위한 적절한 형태의 그립을 제작하여 사용하였다. 또한 연신율 측정 장치 (extensometer)와 시험편 설치조건을 맞주기 위해 5 ton 인장시험기 (Hightech, Instron)에서 길이방향 인장시험을, 25 ton 인장시험기 (Shimazu, AutoGraph)에서 원주방향 인장시험을 각각 수행 하였다.
본 연구에서는 핵연료 피복관의 파괴특성을 조사하기 위한 기초연구로써 피복관으로 사용되는 재료의 펼침가공과 인장방향에 따른 강도특성 을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 튜브형 재료를 그대로 가공하여 제작한 시험편, 판형이 되도록 펴서 제작한 시험편, 이렇게 두 종류를 준비하여 가공에 의 한 영향을 살펴보았고, 길 이방향과 원주방향으로의 인장시험을 수행하여 방향에 따른 영향을 함께 검토하였다°F
튜브형(tube) 피복관을 그대로 사용하거나 (original type) 펼침가공을 통해 피복관을 판형 (plate)으로 펼친(flattened type) 2종류의 시 험재료를 준비하고 이들로부터 각각 길이방향 시험편(longitudinal specimen) 과 원주방향 시험편 (transverse specimen)을 제작하여 종 4가지 형태의 인장시험편을 준비하였다. 판형 시험편의 제작을 위하여 튜브의 한쪽을 잘라서 C형을 만든 후 조금씩 곡률 반경을 넓히고 최종적으로 바이스에 물려서 완전히 펼쳐지도록 하였다.
튜브형(tube) 피복관을 그대로 사용하거나 (original type) 펼침가공을 통해 피복관을 판형 (plate)으로 펼친(flattened type) 2종류의 시 험재료를 준비하고 이들로부터 각각 길이방향 시험편(longitudinal specimen) 과 원주방향 시험편 (transverse specimen)을 제작하여 종 4가지 형태의 인장시험편을 준비하였다. 판형 시험편의 제작을 위하여 튜브의 한쪽을 잘라서 C형을 만든 후 조금씩 곡률 반경을 넓히고 최종적으로 바이스에 물려서 완전히 펼쳐지도록 하였다. Fig.
펼침가공에 따른 잔류응력의 영향을 분석하기 위해 ABAQUS를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석모델은 Zircaloy-2를 대상으로 대칭성을 고려하여 1/2 모델을 사용하였으며 Fig.
하중속도 0.3mm/min으로 상온에서 길이 방향 인 장시험을 하였으며, 게이지 간격 10mm의 연신율 측정장치를 시험편의 평행부에 부착하여 변형량을 측정하였다.
하중속도 0.3mm/min으로 상온에서 원주방향 인 장시험을 하였으며, 시험편의 길이와 폭이 연신율 측정장치를 설치하기에 충분하지 못하여 연신율을 측정하지 못하고 인장강도만을 측정하였다.
핵연료 피복관인 Zircaloy-2, Zircaloy-4, Zirlo를 대상으로 굽힘 잔류응력과 시험편 방향에 따라서 각각 4종류의 미소 인장시험편을 제작하고 인장 시험 및 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

시험에 사용된 재료는 원자로의 핵연료 피복관으로 사용되는 Zircaloy-2, Zircaloy-4, 그리고 Zirlo 로서 화학적 성분은 Table 1과 같다. Fig.
펼침가공에 따른 잔류응력의 영향을 분석하기 위해 ABAQUS를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석모델은 Zircaloy-2를 대상으로 대칭성을 고려하여 1/2 모델을 사용하였으며 Fig. 10에 그 형상을 나타내었다. 재료상수값으로는 영률 99GPa, 항복응력 880MPa을 입력하였다.

성능/효과

(1) 피복재의 인장강도는 Zircaloy-2가 가장 높았고 Zirlo, Zircaloy-42] 순이었으며, 모두 강도기준을 만족하였다.
(2) 수치해석결과 펼침가공을 통해 발생하는 잔류응력의 원주방향 성분이 길이방향 성분보다 컸다. 하지만 실험에서 는 펼침가공을 하지 않은 경우도 원주방향 성분이 발생하므로 길이방향 성분에 의한 영향만을 확인할 수 있었다.
3종류의 핵연료 피복관을 대상으로 각각 4가지 씩의 시험편을 제작하여 인장시험을 수행한 결과를 Table 2에 정리하였다. 강도에서 ASTM B811에서 제시하고 있는 기준을 충분히 만족하고 있으며 기준보다 1.8 ~ 3.6배 높은 값을 보였다. Zircaloy-2 의 인장강도가 가장 높고, 다음으로 Zirlo, Zircaloy-4의 순서로 나타났다.
10에 그 형상을 나타내었다. 재료상수값으로는 영률 99GPa, 항복응력 880MPa을 입력하였다. 그림에서 강체 판 위에 왼쪽 하단을 구속시킨 1/2 모델을 두고 강체 슬라이더로 1/2 모델을 밀어서 펼친 다음 강체 슬라이더를 저】거한 후의 잔류응력을 구하였다.

후속연구

(3) 펼침가공의 원주방향시 험 편에 대한 영향을 알아보기 우]해서는 굽힘응력을 받지 않는 형태의 인장시험을 추가로 수행해야 한다.

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