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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박광헌
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 경희대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
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후쿠시마 사고 이후, 중대사고시 핵연료 피복관과 수증기의 격렬한 반응을 줄일 수 있는 방법이 요구되고 있다. 특히나 핵연료 피복관과 수증기의 반응에 의한 수소폭발을 막을 수 있는 방안으로 사고 저항성 핵연료의 개발이 절실히 요구 되고 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방법으로 SiC를 핵연료봉에 입히는 방법이 가장 유력한 대안으로 고려되고 있다. SiC 복합체 보호막 핵연료는 정상상태 및 중대사고시 현격히 좋은 보호성을 가진다. 휘발성 핵분열생성물의 방출 억제를 금속 피복관이 맡고, SiC 복합체의 취성을 내부의 금속 피복관이 보완할 수 있는 많은 장점을 갖고 있다. 본 연구에선 저온공정으로 SiC 복합체 보호막 피복관을 제조하고, 제조된 피복관의 중대사고 조건에서 보호막의 산화저항성을 검증하는 것이 목적이다.
본 연구에서는 SiC 복합체 보호막을 제조하기 위하여 총 2가지의 코팅 방법을 사용하였다. 전구체를 사용한 복합체 제조법과 플라즈마 증착법을 이용하여, 총 5가지의 시편을 제작함으로서 ‘SiC 복합체 보호막 Zry-4 피복관’을 성공적으로 제조할 수 있었다. 이 두가지 방법으로 만들어진 복합체를 분석한 결과, 기질(matrix)에 만들어진 SiC는 산소를 다량 함유한 비정질 형태로 밝혀졌다.
총 5종류의 시편(PCS를 이용한 SiC 코팅 피복관, PCS로 만든 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관, PVD로 준비된 SiC 코팅 피복관, PVD로 만들어진 SiCf/SiC 복합체 보호막 Zry-4 피복관, PCS 코팅과 초임계 이산화 탄소로 제조한 SiCf/SiC 복합체 보호막 Zry-4 피복관)을 제조하였다. 그리고 이 시편들의 고온산화를 분석하기 위하여 시편들을 1200℃에서 수증기-Ar 혼합기체에서 부식실험을 수행하였다.
PCS를 이용한 SiC 코팅 피복관의 경우, 고온 산화억제력이 전혀 없는 것으로 밝혀졌다. PCS로 만든 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관의 경우, 산화 억제력이 우수한 것으로 나타났다. 보호막 산화 억제율이 20%이하로 나타났다. PVD로 준비된 SiC 코팅 피복관의 경우 약 1.8㎛의 코팅피막이 생성되었고, 보호막으로서 산화 억제율이 대략 0.4정도로 내산화 능력이 있다는 것을 확인 하였다. PVD로 만들어진 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관의 경우, 우수한 산화 억제율을 보였다. 4줄 두께의 SiCf/SiC 복합체의 경우 산화 억제율이 0.11로 매우 우수하다는 것을 확인 하였다. PCS와 함께 초임계 이산화탄소로 만들어진 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관의 경우, 우수한 산화 억제율을 보였다. 산화 억제율이 대략 0.12로 확인 하였다.
본 연구의 결과로 SiC 복합체 보호막 피복관이 타당성이 있고 추가적인 연구로 그 성공 가능성이 높아지면, 중대사고시 Inherent Safety를 갖는 핵연료의 개발이 가능해지게 된다. 또한 고온의 부식환경에 적용 가능한 고온 내구성 구조재의 개발이 가능해지고, 산업적으로는 안전성이 더욱 강화된 원자력 발전 시스템을 구축할 수 있게 된다. 더 나아가 원자력분야를 넘어 극한의 부식환경에 사용되는 공업 부품에도 적용될 수 있어, 그 경제적 파장과 효과는 매우 클 것으로 예상이 된다.
본 연구에서는 SiC 복합체 보호막을 제조하기 위하여 총 2가지의 코팅 방법을 사용하였다. 전구체를 사용한 복합체 제조법과 플라즈마 증착법을 이용하여, 총 5가지의 시편을 제작함으로서 ‘SiC 복합체 보호막 Zry-4 피복관’을 성공적으로 제조할 수 있었다. 이 두가지 방법으로 만들어진 복합체를 분석한 결과, 기질(matrix)에 만들어진 SiC는 산소를 다량 함유한 비정질 형태로 밝혀졌다.
총 5종류의 시편(PCS를 이용한 SiC 코팅 피복관, PCS로 만든 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관, PVD로 준비된 SiC 코팅 피복관, PVD로 만들어진 SiCf/SiC 복합체 보호막 Zry-4 피복관, PCS 코팅과 초임계 이산화 탄소로 제조한 SiCf/SiC 복합체 보호막 Zry-4 피복관)을 제조하였다. 그리고 이 시편들의 고온산화를 분석하기 위하여 시편들을 1200℃에서 수증기-Ar 혼합기체에서 부식실험을 수행하였다.
PCS를 이용한 SiC 코팅 피복관의 경우, 고온 산화억제력이 전혀 없는 것으로 밝혀졌다. PCS로 만든 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관의 경우, 산화 억제력이 우수한 것으로 나타났다. 보호막 산화 억제율이 20%이하로 나타났다. PVD로 준비된 SiC 코팅 피복관의 경우 약 1.8㎛의 코팅피막이 생성되었고, 보호막으로서 산화 억제율이 대략 0.4정도로 내산화 능력이 있다는 것을 확인 하였다. PVD로 만들어진 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관의 경우, 우수한 산화 억제율을 보였다. 4줄 두께의 SiCf/SiC 복합체의 경우 산화 억제율이 0.11로 매우 우수하다는 것을 확인 하였다. PCS와 함께 초임계 이산화탄소로 만들어진 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관의 경우, 우수한 산화 억제율을 보였다. 산화 억제율이 대략 0.12로 확인 하였다.
본 연구의 결과로 SiC 복합체 보호막 피복관이 타당성이 있고 추가적인 연구로 그 성공 가능성이 높아지면, 중대사고시 Inherent Safety를 갖는 핵연료의 개발이 가능해지게 된다. 또한 고온의 부식환경에 적용 가능한 고온 내구성 구조재의 개발이 가능해지고, 산업적으로는 안전성이 더욱 강화된 원자력 발전 시스템을 구축할 수 있게 된다. 더 나아가 원자력분야를 넘어 극한의 부식환경에 사용되는 공업 부품에도 적용될 수 있어, 그 경제적 파장과 효과는 매우 클 것으로 예상이 된다.
목차
제 1 장 서론 1제 1 절 연구배경제 2 절 연구목적 7제 2 장 국내외 기술개발 현황 3제 1 절 국내수준제 2 절 국외 연구현황제 3 절 지금까지의 연구현황 41. 차세대 핵연료 피복관 개발 현황2. SiC 이용 혁신 피복관 개발 현황 5제 3 장 SiCf/SiC 복합체 제조 및 보호막 시편 제조 6제 1 절 시편의 종류 및 실험재료1. 시편의 종류2. 실험재료제 2 절 SiCf/SiC 복합체 제조와 SiCf/SiC 보호막 피복관 시편 제조 91. 전구체인 폴리카보실란을 이용한 SiC 세라믹 기질 제조2. 플라즈마 증기증착을 이용한 SiC 기질 제조 123. 초임계 이산화탄소를 이용한 PCS 충진 방법 15제 4 장 SiCf/SiC 복합체 보호막을 갖는 금속 피복관의고온 내부식성 실험 18제 1 절 실험장치 및 실험방법제 2 절 실험 결과 및 고찰 231. PCS를 이용한 SiC코팅 피복관2. PCS로 만든 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관 273. 플라즈마 증기장착(PVD)으로 만든 SiC 코팅 피복관 304. 플라즈마 증기장착으로 만든 SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관 335. PCS 코팅과 초임계 이산화탄소로 만든 SiCf/SiC 복합체 35보호막 피복관6. PCS 코팅과 초임계 이산화탄소를 2번 충진하여 만든 37SiCf/SiC 복합체 보호막 피복관7. 고온 산화 실험 결과 요약 39제 5 장 결론 41제 1 절 SiC 복합체 보호막 금속 피복관 제조 가능성제 2 절 SiC 복합체 보호막의 사고상태에서 내부식성을 분석참고문헌 43Abstract 45감사의 글 47
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