초록 ▼

현재 원전의 안전성, 경제성, 지속가능성, 핵비확산성을 획기적으로 향상한 미래형원전(GEN-IV)를 개발하기 위한 국제적인 노력이 진행되고 있다. 특히 우리나라 및 선진각국이 최우선 개발 대상으로 선정한 초고온가스로(VHTR), 초임계수로(SCWR), 액체금속로(SFR) 등은 기존 원전에 비해 매우 높은 온도에서 가동이 되며, 특히 VHTR 은 최대 1000℃에서 운전을 목표로 연구가 진행되고 있다. 따라서 이들 원전에 사용될 고온 구조재료, 특히 700℃이상에서 매우 우수한 고온 기계적 특성을 보이는 니켈기합금은 원전의 다양한 부

현재 원전의 안전성, 경제성, 지속가능성, 핵비확산성을 획기적으로 향상한 미래형원전(GEN-IV)를 개발하기 위한 국제적인 노력이 진행되고 있다. 특히 우리나라 및 선진각국이 최우선 개발 대상으로 선정한 초고온가스로(VHTR), 초임계수로(SCWR), 액체금속로(SFR) 등은 기존 원전에 비해 매우 높은 온도에서 가동이 되며, 특히 VHTR 은 최대 1000℃에서 운전을 목표로 연구가 진행되고 있다. 따라서 이들 원전에 사용될 고온 구조재료, 특히 700℃이상에서 매우 우수한 고온 기계적 특성을 보이는 니켈기합금은 원전의 다양한 부분에 사용될 것으로 보이며, 이들 재료의 고온 거동에 대한 국내 연구가 이루어 져야 하며, 이 결과를 미래형원전의 기기 및 구조물에 적용할 수 있는 설계방법론 개발에 활용할 필요가 있다.
고온 원전기기의 설계를 위해서는 가동 환경을 고려한 재료의 크맆 수명 평가가 매우 중요한 요소이다. 일반적으로 설계를 위한 재료의 특성을 평가하기 위해서는 다양한 온도에서 인장, 크맆, 저주기 및 고주기 피로 및 크맆-피로 등 다양한 시험이 가동 환경하에서 수행되어야하며 특히 미래형 원전 설계의 경우 운전온도와 환경의 특수성으로 인해 많은 시간과 비용소요가 예상된다. 따라서 모사실험을 통해 운전환경(고온, 헬륨환경 및 불순물)이 미래형 원전 재료의 크맆-피로 특성에 미치는 영향을 미시적 및 거시적으로 관찰하고 정량화함으로써 효율적인 크맆-피로 특성평가 방법론 수립의 자료를 제공하여야 한다.

Abstract ▼

Currently, many countries have an interest in the development of the Generation-IV(GEN-IV) nuclear reactors improving safety, economy, durability, and nuclear nonproliferation. Republic of Korea as well as many developed country began to take GEN-IV reactors such as VHTR, SCWR and SFR as a matter of

Currently, many countries have an interest in the development of the Generation-IV(GEN-IV) nuclear reactors improving safety, economy, durability, and nuclear nonproliferation. Republic of Korea as well as many developed country began to take GEN-IV reactors such as VHTR, SCWR and SFR as a matter of the highest priority. These reactors is considered to be operated under very high temperature, up to in particular VHTR. Therefore, nickel-base superalloys as candidate materials for various structural parts in GEN-IV reactors should be studied in terms of mechanical and corrosion properties, which is essential for design and construction of nuclear reactors.
To design the nuclear reactor operated at high temperature, creep and creep-properties considering operation conditions are important parameters to predict life time of reactor. Generally, mechanical properties such as tensile, creep, low cycle fatigue, high cycle fatigue and creep-fatigue under operation condition are usually dealt with for material design. In particular for GEN-IV reactors, they require a huge cost and time because of high temperature and severe environment. Therefore, the GEN-IV reactor-simulated experiment is indispensable to design concern. Although He coolant used in VHTR is noble gas, it contains various corrosive impurities such as due to coolant circulation system during operation. These impurities leads to the oxidation, carburization and decarburization, which reduces severely mechanical properties.

목차 Contents

• 표지 ... 3
• 제출문 ... 4
• 보고서 초록 ... 5
• 요약문 ... 6
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 13
• 목차 ... 16
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 19
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 21
• 제 1 절 국외 기술개발 현황 ... 21
• 제 2 절 국내 기술개발 현황 ... 22
• 제 3 절 연구결과가 갖는 의의 ... 22
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 24
• 제 1 절 대기 및 고온 헬륨 환경 하에서의 산화 특성 ... 24
• 1. 후보 니켈기 초합금 재료 미세구조 및 시험장치 ... 24
• 2. 대기 및 고온 헬륨 환경 하에서의 니켈기 초합금의 산화 거동 ... 24
• 3. XPS 및 XRD를 통한 니켈기 초합금의 산화막 생성 거동 분석 ... 26
• 4 니켈기 초합금의 산화막의 생성 거동 및 미세구조 변화 ... 26
• 5. Cyclic 산화 거동 ... 28
• 6. 다양한 니켈기 합금의 산화 거동 ... 28
• 7. VHTR 환경 조절 장치 ... 29
• 제 2 절 대기 및 고온 헬륨 환경 하에서의 크맆 특성 ... 51
• 1. 시편 및 시험장치 ... 51
• 2. 대기 및 헬륨 환경에서의 시험 결과 ... 51
• 3. 환경에 의한 재료의 손상 및 기계적 특성 변화 ... 52
• 가. 온도에 따른 파괴양상 ... 52
• 나. 응력하에서의 재료의 손상 거동 ... 53
• 다. 환경적 영향에 의한 재료의 기계적 특성 변화 ... 53
• 제 3 절 미래형원전 운전환경에서의 산화 및 기계적 특성 ... 81
• 1. VHTR 환경 모사 헬륨 루프 및 불순물 농도 ... 81
• 2. He-K1 헬륨환경에서의 산화막의 생성 및 탄화/탈탄화 거동 ... 82
• 가. He-K1 헬륨환경에서의 산화율 ... 82
• 나. He-K1 헬륨환경에서의 산화막의 생성 ... 82
• 다. He-K1 헬륨환경에서의 탄화/탈탄화 거동 ... 83
• 3. He-K2 헬륨환경에서의 산화막의 생성 및 탄화/탈탄화 거동 ... 83
• 가. He-K2 헬륨환경에서의 산화율 ... 83
• 나. He-K2 헬륨환경에서의 산화막의 생성 ... 84
• 다. He-K2 헬륨환경에서의 탈탄화 거동 ... 84
• 4. 미래형원전 운전환경에서의 산화 및 크맆 특성 ... 85
• 5. 고온헬륨환경에서 산소 분압이 재료에 미치는 효과 ... 86
• 가. 산소분압에 따른 크맆수명의 비교 ... 86
• 나. 산소분압에 따른 산화특성 분석 ... 86
• 제 4 절 Micro 박막 시험기의 설계 및 제작 ... 113
• 1. Micro Creep 시험기 설계 및 제작 ... 113
• 가. 시험기의 구조 및 작동방식 ... 114
• (1) 설계의 시행착오 과정 ... 114
• (2) 시험기의 구조 ... 114
• (3) 데이터 취득 및 제어 시스템 ... 115
• 나. 실험 예 ... 116
• 2 열생성 산화막(TGO) 두께 및 변형률 in-situ 측정 시스템 구축 ... 116
• 가. 고온에서 TGO 두께의 실시간 측정 ... 116
• 나. 변형률 in-situ 측정 시스템 ... 118
• 제 5 절 Fecroalloy 산화 및 Al2O3(TGO)의 인장 및 creep 특성 ... 132
• 1. 산화특성 ... 132
• 2. 인장특성 ... 132
• 가. 실험방법 ... 132
• 나. 측정결과 ... 132
• 3. 크맆 특성 ... 133
• 제 6 절 Inconel 617의 산화, 인장 및 creep 특성 ... 146
• 1. 산화특성 ... 146
• 가. 실험방법 ... 146
• 나. 측정결과 ... 146
• 2. 인장특성 ... 147
• 가. 실험방법 ... 147
• 나. 측정결과 ... 147
• 3. 크맆 특성 ... 149
• 가. 시편 및 시험장치 ... 149
• 나. 풀림처리에 의한 미세구조의 변화 ... 149
• (1) 압연 및 풀림처리에 의한 미세구조의 변화 ... 149
• (2) 압연 및 풀림처리가 경도 값에 미치는 영향 ... 150
• 다. 크맆 실험결과 ... 150
• (1) 크맆 실험결과 ... 150
• (2) 온도와 작용하중이 creep에 대한 영향 ... 151
• 제 7 절 대기 환경 하에서 열 및 기계적 피로에 대한 저항성 평가 ... 180
• 1. 표면 흠집에서 TGO 변형저항성 ... 180
• 가. 시편 및 시험장치 ... 180
• 나. 실험조건 ... 180
• 다. 실험결과 ... 181
• (1) 최고 하중의 영향 ... 181
• (2) 최고 온도의 영향 ... 182
• (3) 이트륨의 영향 ... 182
• 2. TGO 변형저항성 평가를 위한 수치해석 ... 183
• 가. 유한요소 해석을 위한 모델링 ... 183
• 나. 해석과정 ... 183
• 다. 열 사이클에 의한 변형 ... 184
• 라. 크맆이 홈 변형에 미치는 영향 ... 184
• 마. 홈 주위 TGO의 크랙 성장 ... 185
• 바. 선행 연구와의 비교 ... 186
• 3. 홀(hole) 주위 TGO 변형 평가 ... 186
• 가. 실험조건 ... 186
• 나. 실험결과 ... 187
• (1) 사이클 증가에 따른 TGO변형 ... 187
• (2) 기계적 하중의 영향 ... 187
• 다. 이론모델 ... 187
• 라. 이론해석 결과 ... 189
• 제 8 절 환경에 따른 크맆-피로 특성에 미치는 영향 평가법 제시 ... 235
• 1. Alloy 617 및 Haynes 230의 합금원소 영향 평가 ... 235
• 2. 산화거동 및 탈탄화에 기초한 거시적 크맆 수명 예측 ... 235
• 3. 외국의 관련 연구결과 비교 ... 236
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 242
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 243
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 245
• 제 7 장 참고문헌 ... 247