[논문]원자로 냉각재 펌프용 STS 304와 STS 415의 초음파-화학제염 공정 시 부식 손상 거동

현광룡; 박재철; 한민수; 김성종

doi:10.5695/jkise.2018.51.4.218

원자로 냉각재 펌프용 STS 304와 STS 415의 초음파-화학제염 공정 시 부식 손상 거동
Corrosion Damage Behavior of STS 304 and STS 415 for Reactor Coolant Pump during Ultrasonic-Chemical Decontamination Process 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.51 no.4, 2018년, pp.218 - 223

현광룡 (목포해양대학교 해군사관학부) , 박재철 ((사)한국 선급) , 한민수 (목포해양대학교 기관시스템공학부) , 김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we proposed a new ultrasonic-chemical decontamination process for decontaminating radioactive corrosion products during the maintenance of reactor coolant pump (RCP). The actual decontamination process was reproduced in the laboratory. And the corrosion characteristics of stainless steel (STS), constituting the RCP interior parts, were examined. The weight-loss measurment and polarization experiment were carried out in order to determine the corrosion characteristics of STS 304 and STS 415 by repeated decontamination processes. The STS 304 presented a little corrosion damage, which was almost indistinguishable from visual observation. The weight-loss rate of STS 304 was also significantly lower. On the other hand, STS 415 showed severe corrosion damage on its surface, greater weight-loss rate and higher corrosion current density than STS 304.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에는 RCP 내장품을 구성하고 있는 스테인리스강에 대한 새로운 초음파-화학제염을 위한 공정수 농도와 공정시간을 제안하고, 실제의 제염공정을 실험실에서 재현하여 연구를 수행하였으며, 실제 제염공정 시 중요한 자료가 될 것으로 사료된다.
산화, 분해, 환원 공정이 완료되면 1 사이클이라 하며, 무게감량 측정은 매 사이클 종료 후 시험편의 무게를 전자저울로 10^-4g까지 측정하였다. 모든 무게감량 시험편은 각 사이클 종료 후 증류수 내에 완전히 침적하여 초음파 세척을 10분 동안 실시하여 표면에 형성된 부식생성물을 제거하고자 하였다. 산화공정과 분해공정은 모든 사이클에서 동일 농도로 실시하였으나, 환원공정에서는 Oxalic acid의 농도를 감소시키고, Citric acid는 증가, LiOH는 동일 농도를 유지하였다.
본 연구에서는 새로운 초음파-화학제염제의 농도와 공정시간에 따른 실제 제염공정을 실험실에서 재현하였다. 그리고 RCP 내장품을 구성하고 있는 STS 304와 STS 415에 대한 반복적인 제염공정에 따른 무게 감소량 측정과 분극실험을 실시하였다.

제안 방법

본 연구에서는 새로운 초음파-화학제염제의 농도와 공정시간에 따른 실제 제염공정을 실험실에서 재현하였다. 그리고 RCP 내장품을 구성하고 있는 STS 304와 STS 415에 대한 반복적인 제염공정에 따른 무게 감소량 측정과 분극실험을 실시하였다. STS 304는 부식손상정도가 미세하여 육안 관찰로 써는 거의 구분이 되지 않을 정도의 변화만 관찰되었으나, SEM 관찰과 분극곡선을 통해서 화학제염 공정이 반복될수록 작은 값의 표면 손상도 증가하였다.
분극시험은 산화 공정수 (HNO3 + KMnO4)에서 개로전위를 기준으로 ±250 mV 분극시켜 2 mV/s의주사속도로 실시하였다.
표 2는 본 연구에서 제안한 공정모델의 3가지(산화, 분해, 환원공정)의 화학제염실험 공정조건을 나타낸 것이다. 산화, 분해, 환원 공정이 완료되면 1 사이클이라 하며, 무게감량 측정은 매 사이클 종료 후 시험편의 무게를 전자저울로 10^-4g까지 측정하였다. 모든 무게감량 시험편은 각 사이클 종료 후 증류수 내에 완전히 침적하여 초음파 세척을 10분 동안 실시하여 표면에 형성된 부식생성물을 제거하고자 하였다.
전기화학 실험장비(CMS100, Garmry)를 이용하여 모재 및 화학제염 공정 중 1, 3 그리고 5사이클의 종료 후의 시험편을 채취하여 분극시험을 실시하였다. 분극시험은 산화 공정수 (HNO₃ + KMnO₄)에서 개로전위를 기준으로 ±250 mV 분극시켜 2 mV/s의주사속도로 실시하였다.

대상 데이터

표 1에서 나타낸 것과 같은 화학조성을 갖고 있는 STS304와 STS415를 무게 감량 측정용 시험편 (4×4×0.2 cm)으로 절단 가공하여, 에머리 페이퍼 #600번까지 표면 연마하여 사용하였다.

성능/효과

STS 304와는 상당히다른 현저한 부식손상을 나타냈다. 1 사이클 후의 부식손상 형태는 공식과 전면적인 부식손상이 STS 304에 비해 현저히 넓은 범위에서 관찰되었다. 3 사이클 이후에는 공식이 깊이방향으로 성장하는 경향을 나타냈다.
1, 3, 5 사이클 모두 BM의 경우(2.96×10-5 A/cm2)보다 전류밀도가 증가하는 경향을 나타냈으며, 실험 공정 사이클 진행에 따라 전류밀도가 감소하는 경향을 나타냈다.
그러나 2차 세정 후에는 완벽하게 제거되었다. 3사이클 이후, 표면이 거의 백색으로 나타났으며 사이클 수 증가에 따라 부식에 의한 표면 손상정도는 점차 증가하는 경향을 나타냈다.
3 사이클 이후에는 공식이 깊이방향으로 성장하는 경향을 나타냈다. 5 사이클 이후에는 전면부식의 진전으로 상대적으로 공식의 깊이가 감소하는 것처럼 보였으며, 화학제염 공정이 반복될수록 표면 손상은 공식과 전면적인 부식손상이 관찰되었다. STS 304보다는 공식 또는 입계부식의 저항성을 높여주는 Cr 성분과 부동태 피막의 재생성 반응을 높여주는 Ni 성분이 상대적으로 적은 STS 415의 경우는, 본 연구에서 제안한 화학제염공정으로는 많은 손상을 나타냈다 [9,10].
5 사이클 이후에는 전면부식의 진전으로 상대적으로 공식의 깊이가 감소하는 것처럼 보였으며, 화학제염 공정이 반복될수록 표면 손상은 공식과 전면적인 부식손상이 관찰되었다. STS 304보다는 공식 또는 입계부식의 저항성을 높여주는 Cr 성분과 부동태 피막의 재생성 반응을 높여주는 Ni 성분이 상대적으로 적은 STS 415의 경우는, 본 연구에서 제안한 화학제염공정으로는 많은 손상을 나타냈다 [9,10].
한편, STS 415는 1사이 클 종료 후부터 시험편 표면의 극심한 부식손상이 나타났으며, 무게 감소율뿐만 아니라 전류밀도도 상당히 큰 값을 나타냈다. 따라서, 본 연구에서 제시한 화학제염의 공정 농도와 시간은 STS 304에는 안정적으로 적용 가능하나, STS 415에는 어려움이 있을 것으로 여겨진다.
표 3은 STS 304 무게감량 시험편에 대하여 각 사이클 별 침적된 시험편의 무게 및 표면적 측정 결과이며 화학제염 공정 후 그에 따른 감소율을 계산하여 나타낸 것이다. 무게감량 측정 결과, 사이클수 반복에 따라 무게 감소량이 비교적 증가하는 경향을 나타냈다. 1사이클에서는 0.
1559×10^-3 g/cm²을 나타내어 점진적으로 증가하는 감소율을 나타냈다. 이는 위의 SEM 표면관찰 결과와 일치하는 결과로서 STS 304 보다 상대적으로 많은 부식손상을 나타냈던 STS 415가 상당히 큰 무게 감소율을 나타냈다.
85×10^-5 A/cm² 범위 내에서 증가와 감소가 반복되는 경향을 나타냈다. 이는 위의 무게 감소량의 결과와 일치하는 결과로서 STS 304보다 상대적으로 많은 부식손상과 상당히 큰 무게 감소율을 나타냈던 STS 415가 BM보다 높은 전류밀도를 나타냈다. 즉, 공정 사이클을 수행한 경우가 모재에 비해 높은 전류밀도를 나타 냈다.
그림 5는 STS 304에 대한 1, 3, 5 사이클 후 BM 및 화학제염 공정 중 1, 3 그리고 5 사이클 종료 후 분극시험 결과를 나타낸 것이다. 전반적으로 양분극 경향은 개로전위에서 전위가 상승함에 따라 거의 일정한 전류밀도를 나타내는 부동태 경향을 나타냈다. 음분극 곡선에서는 전위가 비방향으로 이행함에 따라 용존산소 환원반응에 의한 농도 분극이 관찰된 후 수소가스 발생에 의한 활성화 분극의 영향으로 급격한 전류 밀도의 상승이 관찰되었다.
공정 사이클을 수행한 경우가 모재해 비해 다소 높은 전류밀도를 나타냈으나, 무게 감소율은 현저히 작은 값을 나타냈다. 한편, STS 415는 1사이 클 종료 후부터 시험편 표면의 극심한 부식손상이 나타났으며, 무게 감소율뿐만 아니라 전류밀도도 상당히 큰 값을 나타냈다. 따라서, 본 연구에서 제시한 화학제염의 공정 농도와 시간은 STS 304에는 안정적으로 적용 가능하나, STS 415에는 어려움이 있을 것으로 여겨진다.
그림 2는 STS 304 모재(base material, 이하 BM)와 화학제염 공정 후 표면 형상을 SEM 관찰한 것이다. 화학제염공정 1 사이클 후의 시편 표면은 BM 과 크게 차이가 없이 연마에 의한 스크래치만 관찰 되었으며, 고배율에서만 확인 가능한 미소 국부부식이 관찰되었다. 그림 1에서는 육안으로는 확인 할 수 없었으나, SEM을 이용한 표면 관찰 결과 화학 제염 공정이 반복될수록 표면 손상 정도는 증가하는 경향을 나타냈다.

후속연구

즉, 공정 사이클을 수행한 경우가 모재에 비해 높은 전류밀도를 나타 냈다. 이 결과로서 본 연구에서 제안한 화학제염제와 공정시간에 STS 415를 적용하기에는 어려울 것으로 판단된다. STS 415는 STS 304보다 Cr과 Ni의 구성성분이 적어 강한 산성용액 내에서 파괴된 부동태 피막의 재형성이 상대적으로 어려워 공식과 입계부식에 취약한 것으로 사료된다 [9,10].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자로 냉각재 펌프란 무엇인가?	원자로 냉각재 펌프(reactor coolant pump, 이하 RCP)는 원자로의 증기발생기 후단에 설치되어 계통 수에 순환력을 부여하는 주요 기기 중 하나이다. RCP 의 정비는 원자로 운전 중 정비나 접근이 불가능하므로 핵연료 교체시기와 병행하여 실시한다.
	RCP 의 정비는 어떻게 실시되는가?	원자로 냉각재 펌프(reactor coolant pump, 이하 RCP)는 원자로의 증기발생기 후단에 설치되어 계통 수에 순환력을 부여하는 주요 기기 중 하나이다. RCP 의 정비는 원자로 운전 중 정비나 접근이 불가능하므로 핵연료 교체시기와 병행하여 실시한다. 핵연료에 대한 노출로 방사성을 띄기 때문에 RCP 내장품 표면의 방사선량을 감소시키는 제염 (decontamination)은 철, 니켈, 크롬 등의 금속산화물로 형성된 FeCr2O2 , Cr2O3 , NiFe2O4 등의 부식생성물 내에 포함되어 있는 방사성 오염물질을 용해시켜 효과적으로 제거 가능하다 [1-3].
	RCP의 화학 제염 방법은?	RCP 의 정비는 원자로 운전 중 정비나 접근이 불가능하므로 핵연료 교체시기와 병행하여 실시한다. 핵연료에 대한 노출로 방사성을 띄기 때문에 RCP 내장품 표면의 방사선량을 감소시키는 제염 (decontamination)은 철, 니켈, 크롬 등의 금속산화물로 형성된 FeCr2O2 , Cr2O3 , NiFe2O4 등의 부식생성물 내에 포함되어 있는 방사성 오염물질을 용해시켜 효과적으로 제거 가능하다 [1-3]. 화학제염의 산화공정은 산성분위기에서 KMnO4(potassium permanganate)를 사용하여 크롬 성분을 용해시키고, 환원공정은 C2H2O4(oxalic acid)을 사용하여 철이나 니켈 성분을 용해시킨다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
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S.J. Kim, J.I. Kim, K.J. Kim, Evaluation of application possibility in chemical decontamination of materials for reactor coolant pump, J. Korean Soc. Mar. Eng., 31 (2007) 84-94.

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A.J. Sedriks, Corrosion of stainless steels. Wiley interscience, New York (1996) 246.

저자의 다른 논문 :

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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