[논문]삼중수소 저장용기 이종 접합부의 수소 취성

김경일; 정석; 강현구; 장민호; 윤세훈; 홍태환

doi:10.7316/khnes.2013.24.2.121

삼중수소 저장용기 이종 접합부의 수소 취성
Hydrogen Brittleness on Welding Part for SDS Bottles 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.24 no.2, 2013년, pp.121 - 127

김경일 (한국교통대학교 신소재공학과) , 정석 (명지대학교 신소재공학과) , 강현구 (ITER 한국사업단 국가핵융합연구소 삼중수소 기술팀) , 장민호 (ITER 한국사업단 국가핵융합연구소 삼중수소 기술팀) , 윤세훈 (ITER 한국사업단 국가핵융합연구소 삼중수소 기술팀) , 홍태환 (한국교통대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Tritium was attracted with high energy source in neutron fusion energy systems. A number of research was performed in tritium storage materials. The Korea was raised storage and delivery systems (SDS) of international thermonuclear experimental reactor (ITER) research. However, bottles of SDS would be important because of stability. The bottles have a welding zone, this zone will be vulnerable to hydrogen embrittlement. This zone have a high thermodynamic energy and heat deterioration. Therefore bottles were studied about hydrogen embrittlement to retain stability. The heat treatment of hydrogen was carried under pressure-composition-temperature (PCT) apparatus because of checking at real time. And then, mechanical properties were evaluated by tensile test and hardness test. In results of this study, hydrogen atmosphere condition is very important by tensile test and kinetics test. The samples were evaluated, that is more weak hydrogen pressure, increasing temperature and time. This results could be useful in SDS bottle designs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구를 통하여 수소화물을 이용하여 삼중수소를 저장하는 방법들을 간단히 소개하고 내부의 수소저장재를 담아두는 용기에 안정성에 대한 연구 결과를 소개하고자 한다. 방사선 누출을 절대적으로 막아야하는 용기는 어쩔수 없이 용접부가 존재하고 이러한 용접부는 수소 분위기에서 반드시 수소의 특수한 특성인 수소 취성에 쉽게 노출된다.
따라서 삼중수소저장재료에 대한 연구도 중요하지만 삼중수소를 담아 두는 겉용기에 관한 수소 취성 연구가 반드시 필요하다. 본 연구결과를 통하여 삼중수소 SDS용 용기의 사용주기 및 교체주기를 판단하는 간접적인 자료를 제공하고자 한다.
대한민국은 이중에 ITER로부터 삼중수소 저장 및 공급 시스템(storage and delivery system, SDS)을 조달하는 역할로서 공동 연구과제에 참여하게 되었다. 이 연구는 ITER용 삼중수소 저장 공급 용기의 적기 공급을 위하여 필요한 연구이다. SDS는 핵융합을 위한 원료를 공급해 주는 시스템으로 삼중 수소 플랜트의 마지막 공정에 해당된다.

제안 방법

ITER SDS 구조 및 형태를 이해하고 삼중수소 저장재를 담는 용기의 사용주기 및 내구성 평가를 위하여 인장시험, 경도 시험 등을 실시하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
PCT 장치의 Kinteics 시험법을 이용하여 열처리에 따른 수소화 반응곡선을 확인 하였다. 각각 조건의 시편에 대하여 인장시험(tensile test, INSTRON 4485), 광학 현미경(optical microscopy, OM, CarlZeiss DE/SteREO Lumar v.12)과 전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, Hitachi, JP/S-2400)을 이용하여 표면형상과 파단면을 관찰하였다. 인장시험은 5mm/min.
따라서 로크웰 경도계를 통하여 결정한 결과들을 가지고 직/간접적으로 비교 서술하기 어려웠다. 결과론적으로 로크웰 경도계를 통하여 값을 결정하기 어려워 로크웰 경도계에 반해 압흔자가 비교적 작고 이종 재료 간에도 공통적으로 적용 사용이 가능한 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 각각 수소 열처리 조건에 따라 경도값을 결정하였다.
또한 인장시험의 경우 그 값이 동일한 조건이라도 상이하게 나타나는 경향이 있어 10개의 동일 시편을 제작하여 평균값으로서 결과값을 결정하였다. 로크웰 경도계 (Rockwell hardness tester, Future-tech, FR-1E)와 마이크로 비커스 경도계(micro-Vickers hardness tester, Future-tech, JP/FM-7)를 이용하여 열처리 전후, 각 조건에 따른 시편에 대하여 경도 측정하였다.
따라서 Cu-SUS 이종 접합 샘플은 Pure Cu(3N)과 SUS304를 가지고 니켈 브레이징(JIS B 0419-mH級 JIS B 0408-B 級)법을 이용하여 Cu-SUS를 이종접합 하였다. 온도, 압력, 시간 등의 수소 노출 조건을 설정하여 수소 노출 후에 인장시험, 경도시험을 실시하였다. 따라서 접합된 Cu-SUS 시험편을 KS 규격(KS B 0802, 14A 호)에 맞는 인장 시험편을 wire cutting을 이용하여 제작하였다.
인장시험 조건을 설정하여 시편의 노취 유무, 수소 열처리 전/후, 수소 열처리 조건 변화에 따라 기계적 특성변화를 측정하였다. 위 결과 수소 열처리 후에 최대인장강도가 증가하는 경향이 나타났다.
4는 전자 현미경을 이용한 파단면 형상이다. 인장시험 후에 용접부가 끊어진 부분 즉, 파단면을 전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 열처리 전/후 파단면의 형상을 비교하면 열처리 전에는 파단면에서 일정한 크기와 모양을 갖는 입계가 관찰된 반면 수소 열처리 후에는 모양과 크기가 일정치 않고 마치 뜯겨진 듯한 형상이 관찰되었다.
제작된 시편에 대하여 Sievert’s type의 PressureComposition-Temperature(PCT) 장치를 이용하여 온도, 압력, 시간에 조건 변화에 따라 수소화 열처리를 하였다.

대상 데이터

온도, 압력, 시간 등의 수소 노출 조건을 설정하여 수소 노출 후에 인장시험, 경도시험을 실시하였다. 따라서 접합된 Cu-SUS 시험편을 KS 규격(KS B 0802, 14A 호)에 맞는 인장 시험편을 wire cutting을 이용하여 제작하였다.

데이터처리

의 속도로 변형을 주어 실험을 진행하였다. 또한 인장시험의 경우 그 값이 동일한 조건이라도 상이하게 나타나는 경향이 있어 10개의 동일 시편을 제작하여 평균값으로서 결과값을 결정하였다. 로크웰 경도계 (Rockwell hardness tester, Future-tech, FR-1E)와 마이크로 비커스 경도계(micro-Vickers hardness tester, Future-tech, JP/FM-7)를 이용하여 열처리 전후, 각 조건에 따른 시편에 대하여 경도 측정하였다.

이론/모형

제작된 시편에 대하여 Sievert’s type의 PressureComposition-Temperature(PCT) 장치를 이용하여 온도, 압력, 시간에 조건 변화에 따라 수소화 열처리를 하였다. PCT 장치의 Kinteics 시험법을 이용하여 열처리에 따른 수소화 반응곡선을 확인 하였다. 각각 조건의 시편에 대하여 인장시험(tensile test, INSTRON 4485), 광학 현미경(optical microscopy, OM, CarlZeiss DE/SteREO Lumar v.
SDS용 용기는 Cu-SUS 이종 접합제이다. 따라서 Cu-SUS 이종 접합 샘플은 Pure Cu(3N)과 SUS304를 가지고 니켈 브레이징(JIS B 0419-mH級 JIS B 0408-B 級)법을 이용하여 Cu-SUS를 이종접합 하였다. 온도, 압력, 시간 등의 수소 노출 조건을 설정하여 수소 노출 후에 인장시험, 경도시험을 실시하였다.

성능/효과

2의 결과는 각 조건별로 시편을 5개로 제작하여 그 결과를 평균화 시킨 값이다. 시편의 정상상태인 (b)의 경우와 연마를 통한 표면 처리 후 (a) 시편의 결과값을 비교해 본 결과 SUS 부에 비해 Cu 부의 표면 경화 현상이 나타남을 확인하였다. 또한 수소 열처리 후인 (c) 시편의 경우 수소 열처리를 통하여 Cu 부가 경화된 것을 확인 할 수 있다.
3) 현재 용기 제작중에 어쩔 수 없이 용접을 하게되는데 용접부는 열화되거나 에너지가 집중되어 쉽게 수소에 노출 된다.
4) 수소 열처리 조건에 따라 수소 취성 가속화 실험을 실시한 결과 수소 압력이 1MPa에서 2MPa로 증가됨에 따라 재료 내부에 수소화물이 형성되고 특히 용접부가 다른 부분에 반해 쉽게 수소화물을 형성할 가능성이 높다는 결과를 도출하였다.
또한 수소 열처리 후인 (c) 시편의 경우 수소 열처리를 통하여 Cu 부가 경화된 것을 확인 할 수 있다. 따라서 마이크로 비커스 경도계를 통하여 결과를 비교 해본 결과 SUS에 반해 Cu가 표면 처리 및 열처리 효과에 의해 민감하게 반응하는 것을 확인하였다.
노취(KS B 0809) 유무에 따른 시험 결과는 본래 인장시험은 면적에가하는 힘으로 측정되기 때문에 노취 유무와는 상관없이 측정값들이 거의 비슷하게 측정되었다. 마지막으로 수소 열처리 조건 중에 수소 가압력을 달리하였을 경우 최대 인장강도는 줄어들고 항복강도는 증가하였다. 반면 연신율은 감소하는 경향을 나타냈다.
인장시험 후에 용접부가 끊어진 부분 즉, 파단면을 전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 열처리 전/후 파단면의 형상을 비교하면 열처리 전에는 파단면에서 일정한 크기와 모양을 갖는 입계가 관찰된 반면 수소 열처리 후에는 모양과 크기가 일정치 않고 마치 뜯겨진 듯한 형상이 관찰되었다. 이는 수소 열처리 시에 높은 에너지를 가지는 용접부에 수소화물 형성이 집중적으로 일어났고 인장시험 시에 이로 인해 파괴가 일어난 것으로 판단된다.
인장시험 조건을 설정하여 시편의 노취 유무, 수소 열처리 전/후, 수소 열처리 조건 변화에 따라 기계적 특성변화를 측정하였다. 위 결과 수소 열처리 후에 최대인장강도가 증가하는 경향이 나타났다. 이는 미세한 수소화물이 표면에 형성됨에 따라 표면강화에 의한 인장강도 증가를 확인할 수 있다.

후속연구

수소 취성이 급격히 진행되면 용접부에 크랙이 발생하고 이를 통해 대기 중으로 삼중수소가 쉽게 노출된다. 따라서 삼중수소저장재료에 대한 연구도 중요하지만 삼중수소를 담아 두는 겉용기에 관한 수소 취성 연구가 반드시 필요하다. 본 연구결과를 통하여 삼중수소 SDS용 용기의 사용주기 및 교체주기를 판단하는 간접적인 자료를 제공하고자 한다.
또한 반응기의 용적이 매우 넓어 미세한 흡착 거동에 대해 측정이 까다로운 점이 있다. 후에 반응기 형태 및 모양 또는 시편 형상 개선을 통하여 미세한 흡착 거동도 검출할 수 있도록 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핵융합 반응이란?	핵융합 에너지 연구는 동서냉전 초기였던 1950년대 초에 수소폭탄 개발과정에서 얻은 과학적 지식을 바탕으로 시작되었다. 핵융합 반응은 높은 온도와 높은 압력하에서 두 개의 가벼운 원소가 충돌하여 하나의 무거운 핵으로 변할 때 질량 결손에 의해 많은 양의 에너지가 방출되는 현상을 말한다. 즉, 높은 온도와 높은 압력 하에 수소 원자핵이 헬륨 원자핵으로 바뀌는 현상이다.
	핵융합연료 주기에 필수적인 기술은?	한편 핵융합연료 주기에 필수적인 기술로는 삼중 수소 분리, 저장 공급, 삼중수소 정화기술 등이 있다. 대한민국은 이중에 ITER로부터 삼중수소 저장 및 공급 시스템(storage and delivery system, SDS)을 조달하는 역할로서 공동 연구과제에 참여하게 되었다.
	삼중수소 저장 및 공급 시스템은 어떤 공정인가?	이 연구는 ITER용 삼중수소 저장 공급 용기의 적기 공급을 위하여 필요한 연구이다. SDS는 핵융합을 위한 원료를 공급해 주는 시스템으로 삼중 수소 플랜트의 마지막 공정에 해당된다. 삼중수소 원료공급 사이클을 통해 핵융합로와 삼중수소 플랜트 및 주요 계통간의 연계성을 Fig.

참고문헌 (10)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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