[논문]3 차원 프린팅 기술을 이용한 신개념 경수로 핵연료 기술 개발에 관한 연구

김효찬; 김현길; 양용식

doi:10.7736/kspe.2016.33.4.279

3 차원 프린팅 기술을 이용한 신개념 경수로 핵연료 기술 개발에 관한 연구
Development of Innovative Light Water Reactor Nuclear Fuel Using 3D Printing Technology 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.4, 2016년, pp.279 - 286

김효찬 (한국원자력연구원 경수로핵연료기술개발부) , 김현길 (한국원자력연구원 경수로핵연료기술개발부) , 양용식 (한국원자력연구원 경수로핵연료기술개발부)

Abstract ▼ AI-Helper

To enhance the safety of nuclear reactors after the Fukushima accident, researchers are developing various types of accident tolerant fuel (ATF) to increase the coping time and reduce the generation of hydrogen by oxidation. Coated cladding, an ATF concept, can be a promising technology in view of its commercialization. We applied 3D printing technology to the fabrication of coated cladding as well as of coated pellets. Direct metal tooling (DMT) in 3D printing technologies can create a coated layer on the tubular cladding surface, which maintains stability during corrosion, creep, and wear in the reactor. A 3D laser coating apparatus was built, and parameter studies were carried out. To coat pellets with erbium using this apparatus, we undertook preliminary experiments involving metal pellets. The adhesion test showed that the coated layer can be maintained at near fracture strength.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

프랑스 CEA에서는 1000℃에서 지르칼로이 표면에서 PVD (Physical Vapor Deposition) 공정으로 산화 저항성이 큰 크롬 물질을 코팅하였다.⁵ 또한, Nieuwenhove 는 CrN와 TiAlN, AlCrN 을 지르칼로이 표면에 PVD 공정으로 코팅하여 산화 저항성을 높이고자 하였다.⁶ 또한, Nelson 등은 Mo 을 고온에서 산화 저항성을 높이기 위해 코팅하였는데, 이러한 이유 때문에 EPRI 에서는 Mo 층을 다층 구조 형태로 구성하는 방법을 제안하였다.
이러한 높은 산화성으로 인하여 DMT 공정을 적용하기 위해서는 앞서 개발된 사고저항성 피복관 코팅 공정보다 엄격한 불활성 환경을 구현해야 한다. 따라서, 사전에 코팅재가 고산화성 어비늄 소재에 대한 코팅 공정을 개발에 앞서 이에 대한 예비 타당성을 본 연구에서는 사고저항성 피복재 개발 장비를 통해 평가하였다.
5 mm 외경을 가지는 튜브 형태로 지르칼로이 합금으로 구성되어 있다. 랩규모에서 타당성 시험을 하기 위해서 본 연구에서는 50 cm이하의 길이에 코팅을 수행하고자 공정을 개발하였다. 공정 개발에 앞서, 코팅 재료의 선택을 위한 재료 개발이 이루어졌다.
뿐만 아니라, 안전성이 우수한 혁신 핵연료 개발에도 우수한 코팅 기술이 필요로 되고 있다. 본 연구에서는 금속 3D 프린팅 기술에서 널리 활용되고 있는 DMT 기술을 핵연료 제조 기술에 접목하여 사고저항성 핵연료 및 혁신 핵연료를 제조하고자 하였다. DMT 금속 3D 프린팅 기술은 일반 적층 조형 공정과 달리 파우더 베드를 사용하지 않아 코팅 공정이나 추가적인 활용성이 매우 높다.
코팅을 위한 DMT 공정의 공정 변수로는 크게 레이저 출력, 코팅 속도, 이송 가스 속도, 파우더 주입 속도 등이 있다. 본 연구에서는 이러한 공정변수 변화를 통해 코팅 두께, 밀도, 미세구조 및 조성에 대한 결과를 측정하여 최적 공정변수 연구를 수행하였다. DMT 공정을 이용하여 코팅 공정을 수행하기 위해, 다음과 같이 공정 단계를 설정하였다.
사고저항성 핵연료 피복관은 원자로의 안전성을 향상시키기 위해 표면에 내산화성 소재를 코팅하는 기술을 개발하였다. 전세계적으로 핵연료 피복관을 코팅하는 공정은 ARC Ion Plating 공정, Cold Spray 공정등 다양한 기술이 적용되고 있다.
튜브 형태 소재에 코팅 공정을 적용하기 위해 적합한 레이저 소스, 노즐, 파우더 공급장치를 설계하고 제작한 후 공정 변수 연구를 통해 최적 공정 변수 연구를 수행하였다. 추가적으로, 타 소재에 대한 코팅 예비 타당성을 평가하여 혁신 핵연료 제조에 대한 적용성을 확인하였다.

제안 방법

⁶ 또한, Nelson 등은 Mo 을 고온에서 산화 저항성을 높이기 위해 코팅하였는데, 이러한 이유 때문에 EPRI 에서는 Mo 층을 다층 구조 형태로 구성하는 방법을 제안하였다.⁷ CVD 방법을 이용하여 SiC 를 피복관 표면에 코팅하는 방법을 제안하기도 하였다.⁸ 이러한 다양한 방법으로 전세계적으로 사고저항성 핵연료를 제작하기 위한 코팅 재료와 코팅 공정을 개발하고 있다.
자체 제작된 노즐과 파우더 공급장치는 코팅 공정에서 코팅 두께의 균일성과 코팅 계면에서의 접착력을 결정하는 중요한 인자이며, 여러가지 설계를 통해 최적의 노즐 및 파우더 공급 장치를 제작할 수 있었다. DMT 공정에 수행동안 고온의 레이저에 의해 코팅재 및 모재의 고온 산화를 막기 위해 노즐에 불활성 가스인 아르곤 가스를 주입하였다.
DMT 공정을 통해 제작된 코팅 시편의 코팅접합력 성능 평가를 수행하기 위해 코팅된 시편에 대한 인장 시험을 수행하였다.
공정변수는 레이저 파워 300 W, 스캐닝 속도는 1 m/min, 분말공급양은 3 g/min, 가스 공급속도는 8 l/min으로 하여 코팅 타당성 평가를 수행하였다. 예비 평가수행 결과 그라파이트와 알루미나 소재의 경우는 세라믹 재질의 특성인 높은 열팽창률과 낮은 열전도도 및 취성 특성에 의해 DMT 공정 도중 열파단으로 코팅 공정 수행이 불가하였다.
1.2 공정 변수 연구
구성된 장치를 이용하여 최적의 코팅두께 및 코팅 접착력을 위해 다양한 공정 변수 시험을 수행하였다. 코팅을 위한 DMT 공정의 공정 변수로는 크게 레이저 출력, 코팅 속도, 이송 가스 속도, 파우더 주입 속도 등이 있다.
본 논문에서는 신개념 경수로 핵연료 개발을 위해 레이저를 이용한 3차원 프린팅 기술을 적용하였다. 사고저항성 피복관 개발을 위해 기존 지르칼로이 계열 합금 피복관 표면에 내산화성이 큰 크롬 계열의 합금을 레이저 3차원 공정을 이용하여 코팅하였다.
본 논문에서는 신개념 경수로 핵연료 개발을 위해 레이저를 이용한 3차원 프린팅 기술을 적용하였다. 사고저항성 피복관 개발을 위해 기존 지르칼로이 계열 합금 피복관 표면에 내산화성이 큰 크롬 계열의 합금을 레이저 3차원 공정을 이용하여 코팅하였다. 코팅된 피복관 소재는 다양한 기계적 강도와 산화 성능 테스트를 통해 그 성능을 입증하였다.
소결체 코팅 타당성 시험을 위해 금속 소결체 형태인 SUS 재질, 그라파이트 재질과 실제 소결체와 유사한 물성을 가지는 알루미나 (Al2O3)에 DMT 공정을 수행하여 타당성을 평가하였다.
예비 제작 평가를 위해 산화성을 제외한 유사한 특성을 가지는 구리 합금 분말과 SUS 계열 분말을 활용하여 소결체 표면에 코팅 시험을 수행하였다.
코팅 되는 소재의 특징은 낮은 중성자 흡수율, 좋은 열전도도, 모재와 유사한 열팽창율, 높은 녹은 온도, 고온 산화 저항성등이 고려되었다. 이러한 특징을 고려되어 코팅되는 소재는 크롬계열 합금으로 결정되었으며, 이를 이용하는 DMT 장치 개발 및 공정 변수 최적화 연구를 수행하였다.
튜브 형태 소재에 코팅 공정을 적용하기 위해 적합한 레이저 소스, 노즐, 파우더 공급장치를 설계하고 제작한 후 공정 변수 연구를 통해 최적 공정 변수 연구를 수행하였다. 추가적으로, 타 소재에 대한 코팅 예비 타당성을 평가하여 혁신 핵연료 제조에 대한 적용성을 확인하였다.
튜브재에 대한 코팅이 반경 방향으로 되어 있기 때문에 인장 시험 방향은 링 형태로 절편하여 인장 시험을 수행하여 파단시까지 코팅면의 박리 등의 현상에 대한 분석을 수행하였다.
5와 같다. 판재와 튜브재에 대한 코팅시험을 수행하였으며, 다양한 레이저 출력 및 재료 공급속도와 불활성 가스 공급 양으로 시험을 수행하였다. 시편 제작 결과 CASE4 판재 시편의 경우 비교적 낮은 출력 100 W 에서 균일한 코팅 특성을 나타내었다.

대상 데이터

사를 통해 구매하였으며, 노즐과 파우더 공급장치는 ㈜예시스템을 통해 자체 제작하였다. 레이저소스는 CW (Continuous Wave) 다이오드 레이저를 사용하였고, 최대 출력은 300 W 급이다. 렌즈 시스템에서는 레이저 스팟의 크기 및 모양등을 조절할 수 있다.
DMT 공정의 열원이 되는 레이저 소스 및 렌즈 시스템은 HBL Co. 사를 통해 구매하였으며, 노즐과 파우더 공급장치는 ㈜예시스템을 통해 자체 제작하였다. 레이저소스는 CW (Continuous Wave) 다이오드 레이저를 사용하였고, 최대 출력은 300 W 급이다.
현재, 제작된 사고저항성 핵연료는 연구용 원자로에 장착되어 실증시험을 2015년 12월에 착수하였다.

이론/모형

신개념 경수로 핵연료 개발을 위하여 본 연구에서는 금속 3D 프린팅 기술에서 널리 활용되고 있는 DMT (Direct Metal Tooling)을 적용하였다. DMT 기술은 일반 3D 프린팅 기술에서 널리 사용하는 Powder Bed 를 사용하지 않고, 직접 금속 분말을 분사하고 레이저빔으로 조사하여 형상을 제작한다.

성능/효과

특히, 파단면에 대한 SEM 이미지 분석 결과 파단시 코팅면의 박리와 같은 계면의 분리가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 그 외에도 코팅 면에서 깊이 방향으로 재료 성분 조사를 수행결과를 통해 분석하였을 때, 깊이 방향으로 코팅재와 모재가 점차적으로 섞여 뚜렷한 계면이 형성되지 않음을 확인하였다. 이는 DMT 공정 수행시 모재가 일부 용융되고 코팅재와 용융된 모재와 혼합되는 특성에 의해 계면이 형성되지 않아 발생하는 현상이라 볼 수 있다.
그리고 무붕산 운전을 위한 핵연료 개발을 위해 핵연료 펠릿 표면에 중성자 가연성 독물질을 코팅하는 기술을 적용하여 무붕산 핵연료 제조의 타당성을 볼 수 있었다. 예비 성능 테스트를 통해 금속 3차원 프린팅 기술의 적용성을 확인할 수 있었다.
시편 제작 결과 CASE4 판재 시편의 경우 비교적 낮은 출력 100 W 에서 균일한 코팅 특성을 나타내었다. 그리고, 불활성 가스의 양은 3.5 l/min 이상으로 수행해야 함을 확인하였다. 반면에, CASE6 SEM 이미지를 통해 확인할 수 있듯이 튜브재의 경우는 100 W 출력과 2.
8은 SUS 재질을 이용하여 DMT 공정을 수행한 결과이며, 상단에는 코팅 단면에 대한 SEM 이미지 이다. 분석결과 코팅이 이루어진 것을 확인할 수 있으며, 두께는 15 um 이내로 구성된 것을 확인할 수 있었다. 다만, 공정 최적화 연구가 진행되지 않아 코팅 면의 균일하지 못한 특성이 있다.
판재와 튜브재에 대한 코팅시험을 수행하였으며, 다양한 레이저 출력 및 재료 공급속도와 불활성 가스 공급 양으로 시험을 수행하였다. 시편 제작 결과 CASE4 판재 시편의 경우 비교적 낮은 출력 100 W 에서 균일한 코팅 특성을 나타내었다. 그리고, 불활성 가스의 양은 3.
그리고 무붕산 운전을 위한 핵연료 개발을 위해 핵연료 펠릿 표면에 중성자 가연성 독물질을 코팅하는 기술을 적용하여 무붕산 핵연료 제조의 타당성을 볼 수 있었다. 예비 성능 테스트를 통해 금속 3차원 프린팅 기술의 적용성을 확인할 수 있었다.
6에 표현되어 있는 링 인장 시험 결과 코팅된 시편이 모재보다 높은 응력에서 파단이 발생하는데, 이는 코팅재가 모재보다 파단 응력이 높기 때문이다. 특히, 파단면에 대한 SEM 이미지 분석 결과 파단시 코팅면의 박리와 같은 계면의 분리가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 그 외에도 코팅 면에서 깊이 방향으로 재료 성분 조사를 수행결과를 통해 분석하였을 때, 깊이 방향으로 코팅재와 모재가 점차적으로 섞여 뚜렷한 계면이 형성되지 않음을 확인하였다.

후속연구

이러한 결과를 바탕으로 혁신 핵연료 펠릿 제작을 위해서 세라믹 재질에 직접 DMT 공정 적용시 효과적인 열제거 기술 개발이 필요하며, 어비늄 파우더의 완전 용융을 위해 공정변수 연구가 필요할 것으로 판단된다.
향후에는 코팅된 부품에 대한 원자로 내에서의 실증 평가 결과를 바탕으로 원자력 부품을 DMT 공정을 이용한 연구 개발에 활용될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핵연료봉의 역할은?	핵연료봉은 핵분열을 수행하는 핵연료에서 방출되는 고방사성 물질을 외부와 차단시켜주어야하며 핵분열에서 생산되는 열을 효율적으로 제거해줘야 하는 기능을 수행해야 한다. 특히, 안전성 측면에서 원자력 발전의 다단계 방호체계중 1차 방호벽인 소결체의 핵분열 물질의 포집 능력과 2차 방호벽인 피복관은 산화 저항성 및 기계적 건전성은 매우 중요한 역할을 수행하게 된다.
	FDM 방식의 3D 프린팅 기술 적층방식에 따라 크게 일곱 가지로 나누어 정의하고 있는데 어떤 것들이 있는가?	“ASTM international 2012”에 의하면 적층방식에 따라 크게 일곱가지로 나누어 정의하고 있다. 소재 압출 (Material Extrusion), 소재분사 (Material Jetting), 결합제분사 (Binder Jetting), 판재적층 (Sheet Lamination), 광중합 (Photopolymerization), 분말소결(Powder Bed Fusion), 직접용착 (Direct Energy Deposition)이 그것이다. 이러한 기술들은 소재의 활용도가 금속, 플라스틱, 세라믹 전반에 걸쳐 넓어지고 공정 자체의 정밀도 및 가공속도의 향상에 힘입어 시작품 제작 수준을 벗어나 실제 제조산업에 직접적으로 적용되는 부품 및 제품의 제작사례가 늘고 있다.
	3D프린팅 기술은 언제 고안되었는가?	또한 FDM 방식의 3D 프린팅 기술이 오픈소스기반으로 개발되어 범용화됨에 따라 전문제조현장이 아닌 대중적인 관심도도 크게 높아지고 있다. 3D프린팅 기술은 1980년 대에 광경화수지 기반의 입체리소그래피 (SLA, Stereolithography), 열가소성 수지 기반의 용융용착모델링 (FDM, Fused Deposition Modeling) 방식으로 고안되어 현재까지 다양한 파생기술이 개발되어 활용되고 있다.

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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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