원자로 지르코늄합금의 표면 보호층

전문가 제언

○ 본 발명은 경수로와 중수로에서 원자로 환경에서 지르코늄합금의 표면을 보호하는 기술과 관련이 있다. 지르코늄합금은 상업용 경수로 원자로 (PWR, BWR, VVER)에서 연료봉, 핵연료다발 구조물, 지지격자와 채널과 같은 노심재료로 널리 쓰인다. 지르코늄은 중성자 흡수가 낮고 방사선 손상에 저항이 강한 장점이 있다. 지르코늄합금은 생산할 때 자연적으로 이산화지르코늄막이 형성되어 산화로부터 보호한다. 그러나 사고로 인한 고온(>800oC)에서 이산화지르코늄막은 부식되고 증기와 강렬하게 반응하여 수소와 고열을 발생하여 방사성 핵분열물질의 누출과 노심이 용해하는 중대사고로 연결될 수 있다.

 

○ 다이아몬드는 높은 열전도, 안정성, 낮은 화학반응을 가진다. 다이아몬드는 오랜 기간 부식하지 않고 중성자 단면적도 낮아서 노심재료로 적절하다. 지르코늄 표면을 화학증기증착법(CVD: chemical vapor deposition)을 사용하여 다결정 다이아몬드층으로 피복함으로써 지르코늄합금의 표면을 보호할 수 있다. 다이아몬드는 CVD방법을 사용하여 0.01-100mbar와 substrate 온도 250-1000oC에서 메탄(혹은 탄소를 포함하는 종류)의 혼합물의 분해에 의하여 다이아몬드가 형성된다.

 

○ 원자로의 사고 조건에서 850oC 이상으로 가열되면 다결정 다이아몬드는 위상변화를 일으켜서 결정 흑연, 그래핀, 비결정 다이아몬드의 혼합체로 변환된다. 비-다이아몬드 탄소는 3642oC의 높은 용해온도를 가진다. 지르코늄합금의 표면을 보호하기에 적절한 다이아몬드층의 두께는 100nm-50um이며 결정핵의 크기는 10nm-500nm이다. 비-다이아몬드 탄소의 최대함유량은 25mol%, 총용량의 불순물은 최대 0.5mol%, 열전도도는 1000-1900Wm-1 K-1 으로 기술되고 있다.

 

○ 한국원자력연구원은 지르코늄합금 피복관을 개발한 바 있고 한전원자력연료는 2016년부터 국산화할 계획이다. 이 기술은 사고를 전제한 안전성 측면에서 고려해 볼만하지만 이와 함께 경제성 검토가 필요할 것이다. 국내의 해당기관에서 관심을 가져볼만하다고 판단된다.

 

저자

Czech Technical University in Prague, et al.

자료유형

니즈특허정보

원문언어

영어

기업산업분류

에너지

연도

2015

권(호)

WO20150039636

잡지명

PCT특허

과학기술
표준분류

에너지

페이지

~17

분석자

강*무

분석물

• 원자로 지르코늄합금의 표면 보호층.pdf [432,841 byte]

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