초록 ▼

III. 연구개발 내용 및 범위
수소생산용 초고온가스로 개발에 필요한 요소기술을 개발하는 것으로서 GEN IV국제협력을 통한 기술의 확보인 고온재료평가기술, 국제적 경쟁력을 갖는 원천기술개발인 공정열교환기를 포함한 초고온기기 기술, 그리고 초고온가스로의 구현에 필수자립기술은 초고온가스루프기술로 구성된다.
초고온가스로 재료평가기술에 대한 연구는 고온재료 DB 구축을 위한 고온배관용 슈퍼알로이에 대한 공기 및 헬륨환경에서의 크리프 시험 및 용접부 시험, 원자로용기 소재에 대한 용접부 특성 평가 수행, 초고온용 후보 탄소복합재

III. 연구개발 내용 및 범위
수소생산용 초고온가스로 개발에 필요한 요소기술을 개발하는 것으로서 GEN IV국제협력을 통한 기술의 확보인 고온재료평가기술, 국제적 경쟁력을 갖는 원천기술개발인 공정열교환기를 포함한 초고온기기 기술, 그리고 초고온가스로의 구현에 필수자립기술은 초고온가스루프기술로 구성된다.
초고온가스로 재료평가기술에 대한 연구는 고온재료 DB 구축을 위한 고온배관용 슈퍼알로이에 대한 공기 및 헬륨환경에서의 크리프 시험 및 용접부 시험, 원자로용기 소재에 대한 용접부 특성 평가 수행, 초고온용 후보 탄소복합재료에 대한 고온열화거동 규명, 황산분해 반응기 재료에 대한 복합환경 부식거동 규명 및 성능자료 구축 등의 연구를 실행하고, 더불어 초고온가스로의 주요 내부구조물 소재인 흑연 노심구조물용 원자력급 흑연의 산화 관련 자료기반을 구축하고 시험자료를 분석하여 품질확인을 위한 종합평가기술 개발하는 것으로 연구범위는 다음과 같다.
○ 원자력수소생산시스템 관련 고온 재료 평가 기술
- 고온배관용 A617 크리프 및 용접부 시험, 피로 특성 시험
- 원자로용기 소재에 대한 후판 및 용접부 특성 평가
- 초고온용 후보재료인 탄소복합체에 대한 산화 및 고온열화 거동 규명
- 황산분해기 재료에 대한 복합환경 부식 거동 규명 및 성능 자료기반 구축
- 노심구조물용 원자력급 흑연의 산화 관련 자료기반 구축
공정열교환기 및 초고온기기 기술개발은 확립된 이온빔믹싱 및 공정열교환기 제작공정을 응용하여 대면적 공정열교환기 제작을 위한 기술적 난제를 제작공정 측면뿐 아니라 상용코드를 활용한 해석적 측면에서도 연구 보완하여 독창적인 개념이 제안된 공정열교환기의 해석 및 확산접합기술 개발을 수행하였다. 또한, 해석과정에 서 초고온기술기준을 적용한 대형 공정열교환기의 구조건전성 평가 측면에서의 설 계개념을 도출하는 것으로 연구범위는 다음과 같다.
○ 원자력수소생산시스템 주요 기기 관련 기술
- 삼산화황 분해 반응을 위한 신개념의 공정열교환기 개발
- 공정열교환기 내식성 향상을 위한 표면 개질 기술 개발
- 공정열교환기 제작 기술 개발
- 주요 기기 고온구조 평가 기술 개발
- 주요 핵심기기 요소기술 분석
초고온가스루프기술은 기 건조된 헬륨루프 일차계통에 이차계통 및 부속계통을 제작 연결하여 원자력수소실증로 실현에 실제적인 기술검증장치인 초고온가스로부품시험용 헬륨루프를 완성하였다. 더불어 기 제작된 소형질소루프를 활용하여 축소된 공정열교환기 등 초고온기기의 개념 검증시험을 수행하였으며 연구범위는 다음과 같다.
○ 초고온 가스루프 및 실험 기술
- 소형가스루프 건조
- 소형가스루프 이용 시험
- 초고온헬륨루프 설계 및 건조 (150kW 용량)

Abstract ▼

III. W ork Scope
1. Material technology for the very high temperature condition
A. Creep, fatigue and creep-fatigue tests for the base metal and its weldment of alloy 617, a candidate of hot gas duct and intermediate heat exchanger material
B. Tensile, impact, creep and fatigue test of the

III. W ork Scope
1. Material technology for the very high temperature condition
A. Creep, fatigue and creep-fatigue tests for the base metal and its weldment of alloy 617, a candidate of hot gas duct and intermediate heat exchanger material
B. Tensile, impact, creep and fatigue test of the thick plate and weldment for Modified 9Cr-1Mo steel, a candidate of reactor pressure vessel material
C. Oxidation and aging behavior of c/c composite, a candidate of core support structure material
D. Corrosion test in the sulfuric acid decomposer material at the sulfuric acid environments
E. Oxidation characterization of nuclear graphite properties
2. Process heat exchanger and very high temperature component
A. New concept of process heat exchanger for sulfur trioxide decomposition
B. Surface enhancement technology for the improved corrosion-resistance for process heat exchanger with SiC electron beam coating and ion beam mixing method
C. Laboratory-scale process heat exchanger fabrication process
D. High temperature structural evaluation for the key components
E. State-of-the-art for the key components for VHTR
3. Very high temperature gas loop
A. Construction of a small-scale gas loop
B. Various Tests with a small-scale gas loop
C. Construction of very high temperature helium experimental loop

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 4
• 보고서 요약서 ... 5
• 요약문 ... 6
• SUMMARY ... 12
• CONTENTS ... 18
• 목차 ... 20
• 표목차 ... 26
• 그림목차 ... 32
• 제 1 장 연구 개발 과제의 개요 ... 52
• 제 1 절 연구 개발의 목표 ... 52
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 52
• 제 3 절 연구개발의 범위 ... 55
• 제 2 장 국내외 기술 개발 현황 ... 58
• 제 1 절 국내 기술 개발 현황 ... 58
• 1. 초고온재료 평가 기술 개발 ... 58
• 2. 흑연 평가 기술 ... 59
• 3. 초고온가스로 기기 요소 기술 ... 60
• 4. 공정열교환기 제작 및 가스루프 기술 ... 60
• 제 2 절 국외 기술 개발 현황 ... 61
• 1. 초고온재료 평가기술 개발 ... 62
• 2. 흑연 평가 기술 ... 64
• 3. 초고온가스로 기기 요소 기술 ... 65
• 4. 공정열교환기 제작 및 가스루프 기술 ... 65
• 제 3 장 연구 개발 내용 ... 68
• 제 1 절 초고온재료 평가 기술 ... 68
• 1. 고온배관용 슈퍼알로이 (Alloy 617) 특성 평가 ... 68
• 가. 975℃에서의 크리프 특성 평가 ... 68
• 나. 900℃ 공기 및 헬륨 분위기 크리프 특성 평가 ... 74
• 다. Alloy 617의 용접 특성 평가 ... 96
• 라. Alloy 617 환경영향 피로시험 ... 132
• 마. 헬륨환경 노출 재료의 내부 산화 특성 개선 및 기계적 특성 평가 기술개발 ... 138
• 2. 원자로용기 FM강의 특성평가 ... 150
• 가. Mod. 9Cr-1Mo 후판 단조재의 모재 및 용접부 특성 ... 150
• 나. Mod. 9Cr-1Mo 후판 단조재의 조사취화 특성 ... 167
• 다. 원자로 압력용기 재료규격 기술 자료집 ... 174
• 라. FM강의 크리프-피로 특성 및 용접부의 피로특성 평가 ... 180
• 3. 노심 소재용 복합재 특성평가 ... 196
• 가. 초고온용 탄소 복합체 공기 분위기 고온 산화 특성 ... 196
• 나. 초고온용 탄소 복합체 산화 열화 거동 ... 201
• 다. 초고온용 탄소 복합체 헬륨분위기 산화 특성 ... 208
• 4. 황산분해 반응기용 재료 부식거동평가 ... 212
• 가. 복합환경 부식평가 ... 212
• 나. 복합 환경 공존재료 부식평가 ... 219
• 다. 표면개질 기술적용성 평가 ... 226
• 5. 07∼08년도 연구결과 요약 ... 228
• 가. 고온배관용 슈퍼알로이 (Alloy 617) 특성 평가 ... 228
• 나. 원자로 압력용기 FM강의 특성 ... 263
• 다. 노심 소재용 복합재 특성평가 ... 275
• 라. 황산분해 반응기 재료 부식특성평가 ... 279
• 제 2 절 흑연평가 기술 ... 300
• 1. 흑연화 평가기술개발 및 마모, 가공 기초기술 개발 ... 300
• 가. X-Ray, TEM 및 Raman Spectroscopy에 의한 흑연화 평가기술 개발 ... 300
• 나. 원자력급 흑연의 고온 강도특성 및 파괴특성 평가 ... 305
• 다. 원자력급 흑연의 산화율에 따른 열방사율 변화 ... 320
• 라. 마모 및 가공 기초기술 개발 ... 338
• 마. 비파괴 (UT) 결함탐지 기초기술 개발 ... 350
• 바. 가속기를 이용한 조사특성 평가기술 ... 363
• 2. 소형 흑연시편 시험 및 불순물 분석기술 개발 ... 368
• 가. 소형시편을 이용한 기계, 산화특성 평가기술 개발 ... 368
• 나. 불순물 분석기술 평가 ... 397
• 다. 정밀 비파괴 (UT) 결함탐지 기술 개발 (KAIST) ... 403
• 3. 원자력급 흑연 압축강도에 미치는 시편 크기 효과 ... 417
• 가. 서 론 ... 417
• 나. 실 험 ... 417
• 다. 결 과 ... 418
• 라. 결 론 ... 425
• 4. 흑연 등급에 따른 산화 후 균열진전 특성 비교 평가 ... 426
• 가. 서 론 ... 426
• 나. 실 험 ... 426
• 다. 결과 및 고찰 ... 427
• 라. 결 론 ... 428
• 5. 온도에 따른 탄성계수, 압축 및 곡강도 비교평가 ... 430
• 가. 서 론 ... 430
• 나. 실 험 ... 430
• 다. 결 과 ... 431
• 라. 결 론 ... 433
• 6. 제조공정 및 원료에 따른 산화온도-산화기구 비교 평가 ... 438
• 가. 서 론 ... 438
• 나. 실 험 ... 438
• 다. 결 과 ... 440
• 라. 토 의 ... 447
• 마. 결 론 ... 448
• 7. 압입시험법을 이용한 기계적 특성 평가 ... 449
• 가. 서 론 ... 449
• 나. 실 험 ... 449
• 다. 결과 및 고찰 ... 449
• 8. Core Support Structure용 흑연 미세구조 분석 및 산화특성 평가 ... 455
• 가. 서 론 ... 455
• 나. 실 험 ... 455
• 다. 결과 및 고찰 ... 457
• 라. 결 론 ... 467
• 9. 조사크리프 및 조사변형특성 종합평가 ... 469
• 가. 서 론 ... 469
• 나. 조사 크리프 ... 470
• 다. 흑연 조사 크리프 기구 ... 471
• 라. 미세 결정 단위에서의 변형 모델 ... 473
• 마. 흑연 크리프 변형 모델 (Macroscopic Irradiation Creep Model) ... 475
• 바. 주요 조사크리프 자료 ... 482
• 사. 흑연 크리프 특성에 미치는 응력, 온도 및 중성자 조사량 효과 ... 484
• 아. 결 론 ... 485
• 10. 원자력급 흑연의 고온, 고압 분위기 산화 특성 평가 ... 486
• 가. 서 론 ... 486
• 나. 실 험 ... 486
• 다. 실험결과 ... 491
• 라. 결 론 ... 500
• 제 3 절 초고온기기 구조건전성 평가 ... 501
• 1. Compact 열교환기 요소기술 개발 ... 501
• 가. 열교환기 현황 ... 501
• 나. 중간열교환기 열적 설계 ... 502
• 2. 고온가스닥트 구조정산 및 고온구조해석기술 개발 ... 503
• 가. 고온가스닥트 구조정산 ... 503
• 나. HGD 고온구조 해석기술 개발 ... 510
• 3. 열교환기 제작기술 평가 ... 522
• 가. Haynes 230 용접물의 기계적 특성 ... 522
• 4. 순환기기 요소기술개발 ... 527
• 가. 서 론 ... 527
• 나. 일반사항 ... 528
• 다. 자기베어링 연구개발 동향 ... 529
• 라. INET HTR-10 헬륨순환기의 자기베어링 설계관련 ... 530
• 마. 가스터빈용 고온자기베어링 설계 예(Montague, G. 외, 2003) ... 534
• 바. 결 론 ... 538
• 5. Bellows 및 Connections 해석기술 개발 및 분석 ... 539
• 가. 허용 재료 ... 540
• 나. 벨로스 튜브 검사 ... 540
• 다. 결함제거 및 보수 ... 541
• 라. 설계 ... 541
• 6. 격리밸브 요소기술개발 ... 552
• 가. 격리밸브의 기능 ... 552
• 나. HTTR의 고온 격리밸브 ... 552
• 7. 자기베어링 기술현황 ... 554
• 가. 헬륨순환기 및 헬륨순환기용 베어링 설계 현황 ... 554
• 나. 헬륨순환기에 적용 가능한 베어링 형식 ... 564
• 8. 소형 공정열교환기의 예비 고온 구조건전성 평가 ... 566
• 가. 소형 공정열교환기(PHE)용 유로판 형상 ... 566
• 나. 초기 설계된 소형 PHE 형상 및 탄성 고온구조해석 ... 566
• 다. 설계 변경된 PHE 형상 및 탄성 고온구조해석 ... 567
• 라. 최종 설계된 PHE 시제품 형상 및 구조해석 ... 567
• 9. 소형가스루프 시험조건하의 소형 공정열교환기 구조건전성 평가 ... 580
• 가. 소형가스루프에 설치된 배관 현황 ... 580
• 나. 소형 공정열교환기 구조건전성 평가 ... 580
• 10. 중형 PHE 시제품의 고온구조해석 ... 588
• 가. 중형 PHE 시제품 구조 ... 588
• 나. 소형가스루프의 정상상태 하에서 고온구조해석 ... 588
• 다. 소형가스루프의 과도상태 하에서 고온구조해석 ... 589
• 라. PHE 대형화 방안 ... 591
• 11. 공정열교환기의 크리프-피로 손상평가 ... 596
• 가. 소형 공정열교환기 고온 구조 건전성 평가 ... 596
• 제 4 절 공정열교환기 기술개발 ... 606
• 1. 연구개발의 배경 ... 606
• 2. 연구개발 수행내용 ... 607
• 가. 소형 열교환기 부품 제작 ... 607
• 나. 박막증착 ... 607
• 다. 이온빔 mixing ... 608
• 라. 박막 및 계면 특성 분석 ... 609
• 마. Ion beam hammering에 의한 진공 승화 방지 실험 ... 609
• 바. 다중 이온빔 믹싱 방법에 의한 표면개질 기술개발 ... 610
• 사. 확산접합 ... 610
• 아. 부식 실험 ... 612
• 자. 공정 열교환기 제조 ... 612
• 차. He 냉각유로 화학적 에칭 ... 614
• 3. 연구 결과 ... 615
• 가. SiC 코팅막 특성 분석 ... 615
• 나. 이온빔 믹싱 및 열처리한 시편 분석 ... 619
• 다. Ion beam hammering 승화 방지 실험 ... 622
• 라. 황산 부식 실험 결과 ... 624
• 마. 확산접합 공정 조건 확립 ... 628
• 바. 공정열교환기 일체화 확산접합 ... 630
• 사. Maxthal interlayer를 사용한 IBM 실험 ... 632
• 아. 다중 이온빔 믹싱 방법에 의한 표면개질 기술개발 ... 634
• 자. 확산접합기술의 보완 ... 635
• 차. He 냉각유로 화학적 에칭 ... 637
• 카. 표면개질기술의 심화연구 ... 637
• 타. 기체 누출 실험 ... 645
• 파. He 유로 화학적 에칭 공정 개발 ... 648
• 제 5 절 가스루프 기술 ... 652
• 1. 소형가스루프 건조 ... 653
• 가. 소형질소루프 ... 653
• 나. 황산루프 설계 및 건조 ... 657
• 다. 계측, 제어 및 자료 처리 계통 ... 668
• 라. 루프 운전 절차 ... 677
• 2. 소형가스루프 성능 실험 ... 686
• 가. 가스베어링 순환기 성능 시험 ... 686
• 나. 수냉각 인쇄기판형 열교환기를 이용한 가열기 성능 시험 ... 690
• 다. 황산루프 성능 시험 ... 696
• 라. ASPEN+를 이용한 황산루프 실험결과 모사 ... 700
• 마. 황산 비등 현상 가시화 ... 703
• 3. 복사보정 가스 온도 측정 기술 개발 ... 707
• 가. 직경이 다른 열전대 2개를 이용한 가스 온도 측정 ... 709
• 나. 저유량 개방형 루프를 이용한 복사보정 가스 온도 측정 시험 ... 710
• 다. 질소루프를 이용한 복사보정 가스 온도 측정 시험 ... 714
• 4. 공정열교환기 적용성 시험 ... 720
• 가. 공정열교환기 열설계 및 민감도 해석 ... 721
• 나. 공정열교환기 적용성 시험 ... 731
• 5. 초고온헬륨루프 설계 및 건조 ... 734
• 가. 개요 ... 734
• 나. 핵심 기기 ... 735
• 다. 보조 계통 ... 756
• 라. 측정 및 제어 계통 ... 763
• 마. 헬륨루프 건조 ... 767
• 바. 단위 기기 성능 시험 ... 769
• 6. 요약 ... 772
• 제 4 장 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 774
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용 계획 ... 786
• 제 6 장 연구개발 과정에서 수집한 해외과학기술 정보 ... 788
• 제 7 장 연구시설ㆍ장비 현황 ... 790
• 제 8 장 참고문헌 ... 792
• 부 록 주요 연구 실적 목록 ... 804
• 서지정보양식 ... 810
• BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET ... 811