[논문]원자력용 흑연 IG-110 에 대한 고온 마모 특성 평가

위돈곤; 김재훈; 김연욱

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.5.469

[국내논문] 원자력용 흑연 IG-110 에 대한 고온 마모 특성 평가
Wear Properties of Nuclear Graphite IG-110 at Elevated Temperature 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.5, 2014년, pp.469 - 474

위돈곤 (충남대학교 기계설계공학과 신뢰성평가실험실) , 김재훈 (충남대학교 기계설계공학과 신뢰성평가실험실) , 김연욱 (충남대학교 기계설계공학과 신뢰성평가실험실)

초록
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고온가스로(HTR-10)는 전기 생산 및 수소 생산에 이용할 목적으로 설계되었다. 고온가스로의 노심에 반사체, 지지체, 감속재로 사용된 흑연은 중성자에 견디는 능력이 탁월하고, 고온 강도 및 열적특성이 우수하다. 구조물들은 연료 순환 유동 등으로 야기되는 진동 등에 의해 마찰이 발생하며 이는 구조물의 파괴를 초래한다. 따라서, 본 연구에서는 고온가스로에 사용되고 있는 등방성 흑연 IG-110에 대한 고온 마모 특성을 연구하였다. 왕복동 마모 시험을 수행하고 마모 특성의 결과로써 마찰계수와 비마모율을 도출하고 비교하였다. 시험 변수로써 실제 작동환경을 고려하여 상온과 고온 $400^{\circ}C$에서 미끄럼 속도와 접촉하중의 변화에 대한 결과를 도출하였다. 또한 흑연 IG-110의 마모 기구에 대해 토의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high temperature gas-cooled reactor (HTR-10) is designed to produce electricity and hydrogen. Graphite is used as reflector, support structures, and a moderator in reactor core; it has good resistance to neutron and is a suitable material at high temperatures. Friction is generated in the graphite structures for the core reflector, support structures, and moderator because of vibration from the HTR-10 fuel cycle flow. In this study, the wear characteristics of the isotropic graphite IG-110 used in HTR-10 were evaluated. The reciprocating wear test was carried out for graphite against graphite. The effects of changes in the contact load and sliding speeds at room temperature and $400^{\circ}C$ on the coefficient of friction and specific wear rate were evaluated. The wear behavior of graphite IG-110 was evaluated based on the wear surfaces.

Keyword

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문제 정의

고온가스로(High Temperature Gas Reactor, HTR-10)는 높은 열효율, 고연소도, 높은 고유안전성 등의 특징이 있어 세계 각 국에서 많은 연구를 수행하고 있다. 또한 고온가스로는 전기를 생산할 뿐만 아니라 수소 생산에도 이용할 목적으로 설계되었다. 고온가스로에 사용되는 재료는 고온물성과 중성자에 안전한 재료가 요구되며 흑연은 이에 해당하는 재료로서 고온가스로 내부와 지지체 등에 상당량이 사용된다.
본 논문은 고온가스로 노심에서 반사체, 지지체, 감속재로 사용되고 있는 등방성 흑연의 마모 특성에 영향을 미치는 외부 인자에 관하여 연구하였다. 상온과 고온 환경에서의 마모 특성에 변화에 대하여 비교하고 하중 및 미끄럼 속도에 따라 변화하는 마모 특성에 대하여 고찰하였다.
모특성에 대해 연구하였다. 시험 변수로써 온도 및 접촉하중, 미끄럼 속도에 대한 영향을 비교하고 평가하였다.

제안 방법

본 논문은 고온가스로 노심에서 반사체, 지지체, 감속재로 사용되고 있는 등방성 흑연의 마모 특성에 영향을 미치는 외부 인자에 관하여 연구하였다. 상온과 고온 환경에서의 마모 특성에 변화에 대하여 비교하고 하중 및 미끄럼 속도에 따라 변화하는 마모 특성에 대하여 고찰하였다.
1과 같이 상부 및 하부 시편을 만들었다. IG-110간에 발생하는 마모를 모사하기 위하여 상∙하부시편 모두 IG-110소재를 사용하였으며 왕복동마모 시험을 통하여 마모 특성을 평가하였다.
시험기는 디지털 제어 방식으로 미끄럼 속도(1-30 Hz)와 마모 변위(1-10 mm), 마모 시간을 제어할 수 있으며 고온 챔버를 통해 상온에서 550℃ 까지의 고온 시험이 가능하다. 온도 측정을 위하여 가열기와 시험편 사이의 표면에서 K-type 열전대를 이용하여 온도를 조절하고 측정하게 된다.
흑연 IG-110의 마모 특성에 대하여 접촉 하중, 온도, 미끄럼속도의 영향을 분석하였다. HTR-10노심의 피복연료 사이 평균 작용 하중이 약 30 N으로 알려져 있다.
HTR-10노심의 피복연료 사이 평균 작용 하중이 약 30 N으로 알려져 있다. 이를 바탕으로 시험 하중은 10, 30, 50, 및 70 N의 수직하중에서 시험을 실시하였다. HTR-10 노심에 블록형 흑연의 표면 온도 분포는 약 400℃인 것으로 보고된 바 있다.
HTR-10 노심에 블록형 흑연의 표면 온도 분포는 약 400℃인 것으로 보고된 바 있다. 그러므로 시험 온도는 각각 24, 100, 200 300 및 400℃의 온도에서 시험하고 이에 따른 영향을 분석하였다. 시험 속도는 0.
원자력용 흑연이 온도 증가함에 따라 마찰 특성을 관찰하기 위하여 각 온도에 따른 하중 상승별 시험을 통하여 결과를 분석하였다. Fig.
마모 시험을 종료한 후 시편의 표면에 발생한 마모흔을 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 관찰하였다. Fig.
모특성에 대해 연구하였다. 시험 변수로써 온도 및 접촉하중, 미끄럼 속도에 대한 영향을 비교하고 평가하였다. 시험 결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

Table 1은 일본 도요 탄소社에서 제공된 등방성 흑연 IG-110의 재료 특성을 보여준다. 흑연 IG-110의 마찰 및 마모 성능을 평가하기 위해 Fig. 1과 같이 상부 및 하부 시편을 만들었다. IG-110간에 발생하는 마모를 모사하기 위하여 상∙하부시편 모두 IG-110소재를 사용하였으며 왕복동마모 시험을 통하여 마모 특성을 평가하였다.

성능/효과

3에 나타냈다. 미끄럼 거리에 따른 마찰계수의 결과에서 나타나듯이 마모 초기에 마찰계수가 급격히 감소 하다가 미끄럼 거리가 일정량 증가한 후에 점차 안정적인 마찰계수 값을 유지하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 초기에 거친 표면이 제거됨으로써 마찰 표면에 매끄러운 막이 생성되고 실제 접촉면적도 커지기 때문에 안정적인 마찰계수를 가져오는 것이다.
상온에 비하여 고온에서의 평균 마찰계수는 28%가량 낮게 나타났다. 결과에서 나타나듯이 상온 및 고온 환경에서 흑연의 평균 마찰계수가 하중이 증가함에 따라 감소하는 경향이 나타났다. 이러한 이유는 하중이 증가할수록 마찰면 간의 전단응력이 증가하여 마찰면 사이에 미끄럼 운동이 더 쉽게 이루어질 수 있기 때문에 마찰계수가 감소하는 것으로 알려져 있다.
상온의 경우, 평균마찰계수의 변화가 거의 없으며 미끄럼 속도가 증가함에 따라 미미하게 증가한다. 반면에 고온 환경에서 미끄럼 속도가 증가함에 따라 평균 마찰계수가 감소되었다가 0.12 m/s에서 다시 증가하는 경향이 나타났다. Fig.
그림에서 하중 30 N부터 마찰 표면에서 10 N에 비해 비교적 평탄한 표면이 나타나며, 윤활막이 잘 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 특히, 70 N에서는 윤활막이 단단하고 넓게 형성되어 있으며, 마찰계수 및 비마모율의 결과와 비교하였을 때, 이러한 윤활막의 형성으로 가장 낮은 값의 결과를 나타내고 안정적인 마모가 이뤄졌음을 확인할 수 있다. 또한, 하중이 증가할수록 윤활의 역할을 하는 막의 형성이 더 용이해지는데 이러한 이유는 마찰과정에서 형성된 마모 입자를 마모 표면에 응착시켜 윤활막을 형성하게 되고, 마모 입자의 응착에 있어 적절한 하중이 필요하기 때문이다.
11은 하중 30 N에서 온도 변화에 따른 마모면을 관찰한 것으로 온도가 증가함에 따라 마찰표면에 윤활막이 더 치밀하게 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서, 마찰계수는 온도가 증가함에 따라 미세하게 감소하는 결과를 보였었다. 이를 통해 온도가 흑연의 마찰 및 마모 성능에 영향을 미치는 중요한 인자인 것을 확인할 수 있다.
12는 속도의 변화에 따른 마모면의 관찰 결과이다. 마모 표면에서 뚜렷한 특징을 나타내지 않지만 가장 높은 마찰계수 값을 나타냈던 저속 0.008 m/s의 마모 표면이 가장 거칠며 윤활막 형성이 가장 적게 나타났다. 이후 속도가 증가하면서 표면에 형성된 윤활막을 관찰할 수 있다.
(1) 마찰계수는 미끄럼 거리 증가에 따라 마모 초기 높은 값으로부터 점차 감소하여 일정 미끄럼 거리의 증가 이후 안정적인 마찰계수 값으로 수렴한다.
(2) 마찰계수 및 비마모율은 상온 및 고온에서 하중이 증가함에 따라 실접촉 면적이 증가되어 결과값이 감소한다. 또한, 마찰계수는 온도 증가에 따라 감소하지만 비마모율은 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향이다.
(3) 미끄럼 속도가 증가함에 따라 상온의 마찰계수는 변화가 거의 없었으나 고온 400℃ 에서 마찰계수가 감소하였다가 다시 증가하는 거동을 보인다. 비마모율은 상온에서 0.
(4) 마모 표면의 관찰을 통해 마모기구를 분석한 결과, 표면 응착으로 형성된 윤활막으로 인해 안정적인 마모 거동을 보이는 것을 확인 하였다. 형성된 윤활막은 마찰계수를 감소시키며 하중과 온도가 증가함에 따라 흑연의 윤활막 형성이 용이하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세라믹으로 둘러싸인 우라늄 입자를 원료는 고온가스로에서 어떻게 사용되는가?	고온가스로 연료의 가장 큰 특징은 세라믹으로 둘러싸인 우라늄 입자를 원료로 사용한다는 점이다. 0.5 mm 직경의 우라늄을 세라믹으로 3층 코팅 한 후에 흑연으로 만든 주먹 만한 크기의 구(Sphere) 안에 고르게 뿌린 뒤 고온가스로의 연료로 사용된다. 이런 피복입자연료들이 노심에 순환 유동으로 인해 흑연 구조물 및 피복입자연료들 사이에 마찰을 발생할 수 있다.
	고온가스로의 특징은?	고온가스로(High Temperature Gas Reactor, HTR-10)는 높은 열효율, 고연소도, 높은 고유안전성 등의 특징이 있어 세계 각 국에서 많은 연구를 수행하고 있다. 또한 고온가스로는 전기를 생산할 뿐만 아니라 수소 생산에도 이용할 목적으로 설계되었다.
	고온가스로 재료로 요구되는 특성은?	또한 고온가스로는 전기를 생산할 뿐만 아니라 수소 생산에도 이용할 목적으로 설계되었다. 고온가스로에 사용되는 재료는 고온물성과 중성자에 안전한 재료가 요구되며 흑연은 이에 해당하는 재료로서 고온가스로 내부와 지지체 등에 상당량이 사용된다. 흑연은 핵분열시 발생하는 중성자에 견디는 능력이 여타 재료에 비해 매우 탁월하므로 반응속도를 늦춰주는 감속제, 중성자를 내부로 제한하는 반사체로 매우 효과적인 재료이다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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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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