[논문]원자력발전 설비의 소재와 용접방법에 대한 최신 기술동향

유호천

doi:10.5781/jwj.2015.33.1.14

원자력발전 설비의 소재와 용접방법에 대한 최신 기술동향
Recent study of materials and welding methods for nuclear power plant 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.1, 2015년, pp.14 - 23

유호천 (한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램)

Abstract ▼ AI-Helper

Recent developing tendency of nuclear power plant are studied by searching of NDSL, KIPRIS, Science Direct and so on. Welding materials such as low alloyed steels, stainless steels, nickel-based alloys, zirconium alloy and welding methods such as narrow gap welding, laser beam welding, friction stir...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

원자력발전 설비의 제조기술에 대한 국내외 경쟁력이 심화됨에 따라 고효율, 안전성, 신뢰성을 갖춘 원자력발전 설비의 안정된 용접기술의 정착이 시급히 요구되고 있다. 이에 대비하여 소재와 용접방법에 대한 최신 용접기술 동향을 파악하기 위하여 ScienceDirect, NDSL, KIPRIS, Web of Science 등의 문헌검색 및 종합분석을 통하여, 향후 국내 산학연에서 필요한 원자력발전 설비의 용접기술을 전망하고 국제적 경쟁력을 갖추기 위한 최신 용접기술을 제시하고자 하였다.

가설 설정

1) 용접성이 양호한 소재의 선정이 요구되고 있다. 특히 잔류응력의 발생이 적고, 입계편석이 적고 응력부식균열이 적은 소재의 개발이 지속적으로 이루어져야 한다.

제안 방법

특히 RAFM (Reduced Activation Ferritic- Martensitic Steel) 강을 접합하는 공정에 전자빔과 레이저용접공정을 이용하여 모재에 상당하는 성질을 갖춘 청정한 용착금속을 만들어내는 성과를 거두었다. 또한 RAFM강에 대하여 내로우갭-GTAW 용접과 레이저-하이브리드 용접을 위한 용접재료를 개발하였으며, 두꺼운 소재의 용접접합부를 만들어내기 위해서 레이저빔과 가스메탈 아크용접 전원의 탄뎀방식으로 레이저-하이브리드용접기술의 개발을 시도하였다⁴⁸⁾.
한편 황은 모재에서 빠져나와 희석지역의 입계를 따라 편석하여 Alloy 52와 A508의 입계강도와 응력부식균열 저항성을 약화시켰으나, Cr함량은 응력부식균열 저항성에 단독으로 영향을 미치지는 않았지만, 국소화된 변형농도와 관계가 있었다. 용접후열처리는 탄화석출물 분포의 변화와 변형농도의 국소화를 가져와 전체적인 용접부 잔류응력의 재분포를 유도하였다.

대상 데이터

첫 번째 세대의 원자로 압력용기용강인 VVER- 440V-230에 뒤이어 인(P)의 입계편석을 감소시키고 불순물의 함량을 낮춘 차세대 원자로(VVER- 440/V-213과 VVER-1000)⁶⁾의 원자로압력용기 강이 출현되었다. B.
8 liter)이 누출되었다. 통기관(vent pipe)는 Alloy 600이며 J 그루브용접(Alloy 182 버터링, Alloy182/82 용접)에 의해 탄소강헤드 내에 장착되었다. YGU3의 균열은 축방향의 PWSCC에 의해 붕산누출과 관련이 있으며, 특히 높은 잔류응력은 PWSCC에 가장 큰 영향을 미친 것으로 확인되었다.

성능/효과

3) 원자력발전 설비의 장수명을 위한 최적의 용접방법이 개발되고 정착되어 나가야 한다. 용착금속의 양을 적게 하고 용접 후에 잔류응력의 양을 최대한 감소시킬 수 있는 용접방법이 개발되어야 한다.
VVER- 1000 용접부의 회복어닐링열처리온도는 탬퍼취성을 피하기 위한 더 높은 온도인 565℃에서 100시간동안 열처리하였다. VVER-1000 용접부의 어닐링열처리는 조사유기 결함의 소멸로 인하여 거의 완전한 회복을 가져왔으며 석출물 수의 밀도와 인(P)의 입계편석의 감소를 가져왔다. 또한 스트립전극을 사용하여 서브머지드 아크용접공정에 의해 오버레이 클래딩한 원자력발전 설비에 적용되는 MnMoNi 강(SA508 Gr.
통기관(vent pipe)는 Alloy 600이며 J 그루브용접(Alloy 182 버터링, Alloy182/82 용접)에 의해 탄소강헤드 내에 장착되었다. YGU3의 균열은 축방향의 PWSCC에 의해 붕산누출과 관련이 있으며, 특히 높은 잔류응력은 PWSCC에 가장 큰 영향을 미친 것으로 확인되었다. 그리고 불규칙한 Cr탄화물의 석출물이 입계균열의 성장에 영향을 미치는 인자로 작용했을 것으로 추정하고 있다¹⁶⁾.

후속연구

4) 내로우갭 용접, 레이저빔 용접, 마찰교반용접, 오버레이 용접, 하이브리드 용접에 대한 최적의 용접방법의 선정이 요구된다.
유럽철강산업협회(EUROFER)의 핵융합로 구조물 재료로서 RAFM(reduced-activation ferritic-martensitic) EUROFER-97 강이 사용되는데, TBM (test blanket modules)의 형태로 국제핵융합실험로(ITER)에서 시험될 것이다. 이에 대비하여 최고 수준의 레이저, TIG, 전자빔 및 확산용접과 같은 용접공정기술의 개발을 요구하고 있다⁴⁹⁾.
그러나 로터의 다층 내로우갭 용접에 대한 잔류응력분포와 구조설계에 관한 연구는 거의 없는 실정에 있다. 특히 원자력발전 설비에서 로터가 고속회전할 때에 로터 용접부의 잔류응력은 가동중에 균열의 원인이 되는 위험성을 내포하고 있으므로 향후 이에 대한 연구가 필요하다³⁸⁾.
또한 서브머지용접의 경우 용접시 플럭스를 사용하여야 하기 때문에 용접부에 확산성수소량이 증가하게 되어 용접부의 잔류응력과 결합하여 저온균열 발생가능성이 증가한다³⁴⁾. 향후 레이저빔, 마찰교반용접 혹은 전자빔과 같은 고성능의 용접기술을 선정함으로써 이러한 문제를 해결하여야 할 것이다¹⁸⁾. 응력부식균열의 위험은 잔류응력을 낮추면 개선되는 방향으로 향하기 때문에 내로우갭, 레이저 등의 열원을 이용하여 용접금속의 체적을 줄이는 것이 중요하다.
316L강의 시그마 상의 석출은 TEM에 의해 밴드조직 내에서 관찰할 수 있는데, 입열량이 높을수록 냉각속도가 늦어져 더 긴 시간동안에 노출이 되어 시그마상의 형성량이 커지고 밴드조직의 면적도 커져서 크롬 희석을 초래하여 내부식성을 악화시킨다. 향후 마찰교반용접에서 입열량의 조건(즉, 낮은 회전속도, 낮은 작업 하중, 높은 용접속도)을 낮춤으로써 316L스테인리스강의 마찰교반공정 동안에 시그마상의 석출을 억제하여 내부식성을 증가시키기 위한 연구가 바람직하다⁴⁴⁾.
이 때 용접금속의 분포나 대칭성을 고려하여 변형이나 응력이 잔류하는 일이 없도록 유의해야 한다¹⁰⁾. 향후 용접금속의 체적을 줄여 잔류응력을 낮추는 용접기술을 개발하여야 할 것이다.
이러한 균열을 감소시키기 위하여 황성식 등¹⁹⁾은 재료교체, 차단, 오버레이용접, 잔류응력 개선 및 수화학 처리(예, 아연첨가와 최적화된 수소 조업)를 선택적으로 고려하였으며, 이종금속에 대한 보수용접기술로서 노즐교체와 오버레이용접이 최근 실시되었다. 향후 이러한 설비에 대하여 철저한 관리기준과 검사 가이드라인을 작성하여 정착시키는 체제가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자로압력용기의 내부표면에 세심한 관리가 필요한 이유는?	원자력발전 설비 내의 원자로압력용기(RPV)는 두께가 200mm에 달하는 저합금강으로 만들어지는데, 원자로압력용기의 내부표면은 원자로냉각제에 의한 환경부식에 민감하여 몇 mm두께의 오스테나이트계 스테인리스강을 오버레이 클래딩으로 보호되고 있지만 이 부분에서의 가압열충격은 가압경수로(PWR)의 파괴를 일으키는 주요 원인으로 작용할 수 있기 때문에 세심한 관리가 필요하다1),2).
	오버레이용접에 사용되는 Alloy 690의 장단점은?	Alloy 600은 일차수 응력부식균열(PWSCC : Primary Water Stress Corrosion Cracking)에 민감한 재료로 알려져 있다16). 이에 대비하여 Alloy 690은 크롬함유량을 증가시켜 반연속적인 입계탄화물에 의해 응력부식균열의 저항성을 향상시킨 소재이다. 그러나 Alloy 690 용접금속은 고온균열에 민감하고 기공, 용입불량 등의 결함이 발생하기 쉽다. 특히 연성저하 응고구간에서 발생하는 연성저하균열 결함에 민감하여 이를 방지하기 위해서는 적절한 시공조건 설정과 용접재료의 선택이 중요하다15).
	AISI 316L 사용시 주의사항은?	AISI 316L은 높은 응력부식균열 저항성으로 인하여 원자력발전 설비에 자주 사용되고 있지만 용접 가공열처리 사이클로 인하여 기계적 성질과 재료의 조건, 예를 들면 용접 접합부 근처에 소성변형과 냉간가공에 따라 응력부식균열에 의한 열화에 심각한 영향을 미치므로 유의해야 한다10). 페라이트와 오스테나이트 2상으로 구성된 듀플렉스 스테인리스강(Z3CN 20.

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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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