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심부시추공 처분용기 재료로서 SiC 세라믹의 적합성 평가
Evaluation of Silicon Carbide (SiC) for Deep Borehole Disposal Canister 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.16 no.2, 2018년, pp.233 - 242  

이민수 (한국원자력연구원) ,  이종열 (한국원자력연구원) ,  최희주 (한국원자력연구원) ,  유맑고밝게빛나라 (한국원자력연구원) ,  지성훈 (한국원자력연구원)

초록
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본 연구에서는 탄소강 심부시추공 처분용기가 가지는 고온에서의 물성 저하와 내부식성 문제 등을 해결하기 위하여, 열전도도가 우수한 SiC를 이용한 심부시추공 처분용기의 제작 가능성을 살펴보았다. 먼저 사용후핵연료 집합체 1다발을 수용할 수있는 심부시추공 처분용기를 설계하였으며, 설계된 처분용기는 내부 SiC 기밀용기와 취급 편의와 심부정치를 위한 외부 스테인리스 용기로 구성하였다. 그리고 SiC 세라믹 용기의 제작 가능성을 확인하기 위해, 1/3 규모의 소형 SiC 용기를 실제 제작하였다. 제작된 SiC 용기에서 시편을 추출하여 열전도도를 측정하였으며, KURT 지하 $70^{\circ}C$ 고온조건에서 3년간 내구성 시험도 실시하였다. 그 결과 SiC는 $100^{\circ}C$에서도 $70W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$ 이상의 열전도도를 보였으며, 내구성 시험 후에도 변화가 전혀 보이지 않았다. 따라서 SiC는 높은 열전도도와 우수한 내부식성을 갖고 있어, 심부시추공 처분용기 재료로 적합하다고 보았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To overcome the low mechanical strength and corrosion behavior of a carbon steel canister at high temperature condition of a deep borehole, SiC ceramics were studied as an alternative material for the disposal canister. In this paper, a design concept for a SiC canister, along with an outer stainles...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 국내 사용후핵연료 집합체 1다발을 처분할 수 있는 SiC 심부시추공 처분용기를 설계하고 그 적용가능성을 검토해 보았다. 한국 표준형 원전용 개량 연료인 Plus7(16×16 핵연료봉 배열 집합체)을 대상으로 하고, 초기농축도 4.
  • 본 논문에서는 SiC를 이용한 사용후핵연료 처분용기의 설계와 소형 SiC 용기의 제작 사례를 보였다. 그리고 국내 심부환경에서 SiC가 적합한 재료인지 평가한 시험내용을 함께 제시하였다.
  • 따라서 심부시추공 처분용기로서 SiC가 적합한 재료라고 본 논문에서는 판단하였다. 왜냐하면 SiC 용기는 5 km 심부 처분환경에서 예상되는 400℃의 높은 온도에도 SiC는 기계적 강도 저하가 거의 없으며, 내부 붕괴열의 발산에 유리한 높은 열전도도를 지니고 있기 때문이었다.
  • 왜냐하면 SiC 용기는 5 km 심부 처분환경에서 예상되는 400℃의 높은 온도에도 SiC는 기계적 강도 저하가 거의 없으며, 내부 붕괴열의 발산에 유리한 높은 열전도도를 지니고 있기 때문이었다. 본 논문에서는 SiC를 이용한 사용후핵연료 처분용기의 설계와 소형 SiC 용기의 제작 사례를 보였다. 그리고 국내 심부환경에서 SiC가 적합한 재료인지 평가한 시험내용을 함께 제시하였다.
  • 본 연구에서는 PWR Plus 7 사용후핵연료 집합체를 가정하고, 높은 압력에도 견딜 수 있는 심부시추공 SiC 기밀용기와 이를 심부로 정치하기 위한 스테인리스 행렬 용기를 설계해 보았다. 그리고 SiC 용기의 국내 제작 가능성과 특성을 평가하기 위해, 국내 세라믹 기업에 의뢰하여 소형 SiC 용기 제작을 시연하였다.
  • 그리고 SiC 용기는 그 자체로 충격에 약하기 때문에 충격에 강한 금속 외부용기로 재차 보호할 필요가 있다. 이러한 목적으로 내부식성이 뛰어나고 충격에 강한 외부 스테인리스 용기를 도입하였다. 스테인리스 용기는 SiC 기밀용기를 보호하고, 각각의 처분용기를 수십 개 단위로 연결할 수 있는 구조로 하였다.
  • 이에 본 논문에서는 일반적인 탄소강이 가지는 고중량과 고온에서의 강성 저하를 해결하는 방안으로 SiC를 심부시추공 처분용기 재료로 고려하고, 그 타당성을 검토하고자 하였다. SiC 심지층 처분(Deep geological disposal or Mined disposal)용기는 이미 A.
  • 심부시추공 처분은 지하 5 km까지 내려가기 때문에, 높은 열과 외압 조건에서는 일반적으로 사용되는 탄소강 용기는 강성의 저하와 내부식성이 문제가 있었다. 이에 본 연구에서는 부식이 되지 않고, 열에 안정한 세라믹 소재의 SiC 심부시추공 처분용기를 제안하고자 하였다

가설 설정

  • - 기본 SiC 기밀용기의 내부 공간은 사용후핵연료 집합체1다발이 충분히 들어갈 수 있어야 한다.
  • 계산을 용이하게 하기 위하여 염도의 수직적 분포를 보수적으로 가정하여 계산하였다.
  • 처분심도 500 m까지 지표면의 담수로부터 심도에 따라 (1.1× 담수 밀도)와 같이 변화하며, 그 이후에는 심도 5 km까지는 (1.3× 담수 밀도)로 변한다고 가정하여 계산하였다[16].
  • 한편, SiC 용기는 최대 300℃ (572℉)까지 붕괴열로 인하여 내부 온도가 상승한다고 가정하고, 300℃에서도 견딜 수 있도록 설계하였다. 처분용기 행렬의 하중 조건은 10~40 개의 처분용기가 한 줄로 약 50~200 m 길이로 처분공에 정치된다는 가정 하에 설계하였다. 따라서 단일 처분용기 구조는 사용후핵연료 집합체, 채움재, SiC 기밀용기, 그리고 스테인리스 금속용기 순으로 구성된다.
  • 한국 표준형 원전용 개량 연료인 Plus7(16×16 핵연료봉 배열 집합체)을 대상으로 하고, 초기농축도 4.5wt%와 방출연소도 55 GWd/MtU을 갖는 고연소도 사용후핵연료로 가정하였다.
  • 한편 지하수의 온도와 관련해서는 25 ℃·km-1의 온도 구배를 가정하였다.
  • 그 결과 심부시추공 바닥에서의 지하수압은 약 57 MPa (8,250 psi), 온도는 약 140℃로 추정되었다. 한편, SiC 용기는 최대 300℃ (572℉)까지 붕괴열로 인하여 내부 온도가 상승한다고 가정하고, 300℃에서도 견딜 수 있도록 설계하였다. 처분용기 행렬의 하중 조건은 10~40 개의 처분용기가 한 줄로 약 50~200 m 길이로 처분공에 정치된다는 가정 하에 설계하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지하 3~5 km 심부의 특징 및 장점은? 한편, 최근에는 고준위폐기물 처분용기의 보다 안전한 영구처분을 위해 500 m보다 더 깊은 지 3~5 km 심부시추공에 처분용기를 매몰하려는 연구가 유럽지역과 미국 등 몇몇 나라에서 검토되고 있다[2-4]. 지하 3~5 km 심부는 고염분 층상 지하수체가 지표의 지하수체와 전혀 혼합되지 않고 지하에 정체된 상태로 부존하기 때문에 방사성 핵종의 지상유출이 희박하며,지각 변동에 의한 시추공의 영향도 무시될 정도로 줄어든다는 장점이 있다[2].
500 m 심부 환경에서도 부식이 가능한 이유는 무엇인가? 고준위폐기물을 지하 500 m 부근의 무산소 심부 지반에 처분하고자 하는 심지층 처분연구가 많은 나라에서 수십 년간 수행되어 왔으나, 여전히 수천 년에서 수십만 년에 이르는 금속 처분용기의 부식수명에 대한 논쟁은 아직도 남아 있다. 500 m 심부 환경은 부식을 야기하는 산소가 없지만, 시추공 주변을 흐르는 지하수에 포함된 황화합물과 같은 잠재적 부식인자의 영향, 그리고 방사분해로 발생되는 H2O2 또는 라디컬에 의한 부식이 가능하기 때문이다[1]. 한편, 최근에는 고준위폐기물 처분용기의 보다 안전한 영구처분을 위해 500 m보다 더 깊은 지 3~5 km 심부시추공에 처분용기를 매몰하려는 연구가 유럽지역과 미국 등 몇몇 나라에서 검토되고 있다[2-4].
심부시추공 탄소강 처분용기의 단점은? 심부시추공 탄소강 처분용기는 크게 두가지 단점이 있다. 첫째는 처분용기가 두터운 강관으로 제작되므로 매우 무겁다. 고하중 처분용기는 심부시추공 처분공정에서 매우 불리하게 작용한다. 심부 3~5 km까지 내리는 정치공정 시간을 줄이기 위해서 한번에 내리는 처분용기의 수량은 10~40개로 행렬을 이루게 되며, 무거운 처분용기는 정치용 권상기구와 하강용 파이프에 큰 부하를 주게 된다. 따라서 한 번에 내릴 수 있는 처분용기의 개수는 처분용기의 자체 하중에 따라 제한 될 수밖에 없고, 공정시간이 늘어나게 된다. 따라서처분용기의 중량을 줄일 수 있다면, 좀 더 많은 개수의 처분용기를 내려 운영기간을 줄임으로써 경제적으로 이득을 가져올 수 있다. 두번째 탄소강관 처분용기의 단점은 고온으로 갈수록 기계적 강도가 떨어진다는 점이다[8, 9]. 5 km 심부는 지열로 인해 160℃까지 오를 수 있으며, 처분용기에장입된 사용후핵연료의 붕괴열로 인해 용기 중심 온도는 최대 380℃까지 상승할 것으로 예측하고 있다[10]. 구조용 탄소강이 400℃를 기점으로 항복강도가 급격히 떨어지는 것을 고려할 때[9], 탄소강 외에 열적으로 안정한 처분용기 재료가 요구된다.
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참고문헌 (21)

  1. B. Kursten, E. Smailos, I. Azkarate, L. Werme, N.R. Smart, and G. Santarini, State-of-the-art document on the Corrosion Behaviour of Container Materials, European Commission 5th Euratom Framework Programnne 1998-2002 Final Report, Contract No FIKW-CT-20014-20138 (2002). 

  2. Nuclear Industry Radioactive Waste Executive, A Review of the Deep Borehole Disposal Concept for Radioactive Waset, Nirex report no.N/108 (2004). 

  3. P.V. Brady, B.W. Arnold, and P.N. Swift, Deep Borehole Disposal of High-Level Radioactive Waste, Sandia Report, SAND2009-4401 (2009). 

  4. K.S. Kim, State-of-the Art Report on the Very Deep Borehole Disposal Concept for High-level Radioactive Waste, Korea Atomic Energy Research Institute Report, KAERI/AR-929/2012 (2012). 

  5. B. Arnold and P. Brady, Geological and Practical Aspects of Deep Borehole Disposal, Sandia Report, SAND2012-138 (2012). 

  6. J.Y. Lee, H.J. Choi, M.S. Lee, G.Y. Kim, and K.S. Kim, "Key Factors to Determine the Borehole Spacing in a Deep Borehole Disposal for HLW", Proceedings of the Korean Nuclear Society 2015 Spring Meeting, 47(8), 1, Jeju (2015). 

  7. B W. Arnold, P.V. Brady, and S. Pye, Reference Design and Operations for Deep Borehole Disposal of High-Level Radioactive Waste, Sandia Report, SAND2011-6749 (2011). 

  8. G.N. Vigilante, A. Fish, G.P. O'Hara, D. Crayon, and T. Hickey, Elevated Temperature Properties of Steels, US Army Armament Research, Development and Engineering Center, Technical Report ARCCB-TR-96023 (1996). 

  9. J. Outinen and P. Makelainen, "Mechanical Properties of Structural Steel at Elevated Temperatures and After Cooling ", Second International Workshop > - Christchurch - March, 273-289 (2002). 

  10. C.I. Hoag, "Canister Design for Deep Borehole Disposal of Nuclear Waste", A Thesis for the Degree of Master of Science in Nuclear Science and Engineering at the Massachusetts Institute of Technology, May (2006). 

  11. A. Kerber and J. Knorr, "SiC Encapsulation of High Level Waste for Long-term Immobilization", ATW 58. Jg. Heft 1 January, 8-13 (2013). 

  12. Shinichi Takagawa, "Pressure test of a pressure vessel with glass dome and cylinder of other material", Underwater Technology (UT) 2011 IEEE Symposium, Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies (SSC), 1-5 (2011). 

  13. Matweb, "Overview of materials for Low carbon steel", Material Property Data, Accessed Nov. 29 2017, Available from: www.matweb.com 

  14. W.J. Kim, D.J. Kim, and J.Y. Park, "Fabrication and Material Issues for the Application of SiC Composites to LWR Fuel Cladding", Nuclear Engineering and Technology, 45(4), 565-572 (2013). 

  15. J. Knorr, W. Lippmann, A.M. Reinecke, R. Wolf, A. Kerber, and A.Wolter, "SiC Encapsulation of (V) HTR Components and Waste by Laser Beam Joining of Ceramics", Nuclear Engineering and Design, 238, 3129-3135 (2008). 

  16. C.G. Herrick, Reference Design and Operations for Deep Borehole Disposal of High-Level Radioactive Waste, Sandia Report, SAND2011-6749 (2011). 

  17. A.L.McNaughton, "High Temperature Compression Testing of Monolithic Silicon Carbide (SiC)", A Thesis for the Degree of Mater of Science in Mechanical Engineering in University of Maine, August (2007). 

  18. D. Morelli, J. Hermans, C. Beetz, W.S. Woo, G.L. Harris, and C. Taylor, in Silicon Carbide and Related Materials Eds. Spencer, M.G., et al., Institute of Physics Conference Series N137, 313-316 (1993). 

  19. R.G. Munro, "Materials Properties of a Sintered ${\alpha}$ -SiC", J. Phys. Chem. Ref. Data, 26(5), 1195-1203 (1997). 

  20. J. Roy, S. Chandr, S. Das, and S. Maitra, "OXIDATION BEHAVIOUR OF SILICON CARBIDE -A REVIEW", Rev.Adv.Mater.Sci., 38, 29-39 (2014). 

  21. H.K. Tran and P.M. Sawko, "Thermal Degradation Study of Silicon Carbide Threads Developed for Advanced Flexible Thermal Protection Systems", NASA Technical Memorandum 103952; Accessed Oct. 29 2017. Available in https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R19920023232 2018-03-26 (2018). 

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