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핵 연료봉 피복제인 Zr합금의 수소화합물 형성과 그 문제점에 관한 최근 연구동향

전문가 제언: ○ 피복제인 지르코늄합금에 수소가 확산하여 진입하면 온도, 응력 및 결함정도의 변수의 변화에 의한 수소고용한도의 차이에 따라 수화물의 형성기구가 바뀌는 매우 복잡한 현상이 발생한다. 그러나 이러한 여러 변수들의 개별적인 효과도 복잡하지만 이들 변수들이 상호작용하여 문제를 더 복잡하게 하기 때문에 수화물 형성과 그 효과에 대한 철저한 연구가 진행되지 못하고 있다. 이러한 문제점을 해결하여 보다 완전한 피복제 취화현상을 이해하기 위한 노력으로 최근에 시도되는 Phase field method를 이용하려는 선진국의 연구경향이 있음을 소개한다.

○ Phase field method는 다결정체 재료 내의 불균질한 탄성을 효과적으로 잘 설명할 수 있는 모델로서 이미 지르코늄 합금 내의 γ수화물의 형상을 추정하는 연구에 사용되어 실험적으로 확인된 결정구조의 특성과 잘 일치하는 결과를 얻은 바 있다. 이러한 실적에 근거하여 피복제의 수화물에 의한 취화현상의 원인을 보다 더 정확히 규명함으로써 취화의 원인인 수화물의 취화현상을 완화시킴으로써 핵연료봉의 안전운영과 수명연장을 기할 수 있을 것이다.

○ 이 분석에서 소개하는 새로운 연구동향은 수화물에 의한 Zr합금의 취성 원인의 철저한 이해이다. 이를 위하여 피복제에 생성되는 각종 수화물인 δ, γ 및 ε상의 생성, 분포가 기지와 다른 특성을 갖는 원인을 규명할 필요가 있다는 것이다. 국부적 응력을 변화시켜서 재료의 파손을 유발시키는 각 상의 양, 결정구조 및 형상의 효과를 종합적으로 연구한다는 것이 최근의 선진국에서의 연구동향이다.

○ 국내에서는 원자력연구원이 주체가 되어 피복제의 취화현상에 관한 연구와 피복제의 RIA 모사시험을 하는 등 활발한 연구가 수행되었으나 아직 Phase field method를 이용하여 취성의 원인이 되는 각종 수화물의 결정특성, 형성기구 및 응력과 결함에 의한 분포 변화 등에 관한 철저한 연구는 보고된 바가 없다. 한국형 원자로를 운영하고 수출하는 원자력 강국의 입장에서 이미 선진국에서 시도되고 있는 연구동향에 대한 철저한 연구가 시급한 실정이다.

저자: ARTHUR T. MOTTA and LONG-QING CHEN
자료유형: 학술정보