한국 표준형 원전(Korea Standard Nuclear Power Plant, KSNPP)의 가압기 밀림관(pressurizer surge line) 소재로는 고온강도 및 파괴인성이 우수한 Type 347 오스테나이트계 안정화 스테인리스강을 사용한다. 밀림관은 원자로 가압기와 고온관을 연결하는 배관으로 평균온도 316℃, 평균압력 150기압 환경에서 가동되며 열성층형성에 의한 반복적인 열적/기계적 하중은 물론 고온수환경에 의한 환경피로손상이 누적된다. 원전 고온수환경은 용존산소 5ppb이하의 초순수환경임에도 불구하고 스테인리스강의 피로수명이 공기중 보다 현저히 감소되는 것으로 보고됨에 따라 최근 환경피로 현상의 이해에 대한 중요성이 증대되고 있다.
본 연구에서는 원전 고온수 환경에서 Type 347 스테인리스강의 피로균열성장속도를 평가하고, 고온 원전수환경이 피로균열성장속도에 미치는 영향을 고찰하였다. 시험을 위해 PWR 냉각수환경을 조성할 수 있는 loop와 autoclave가 장착된 피로시험장치를 구축하였다. 피로시험장치는 Autoclave의 내부 압력이 load cell에 미치는 영향을 방지 하도록 pressure balance를 장착하여 내부의 압력영향을 보상하였다. PWR 냉각수환경 조성을 위한 loop는 용존산소(DO), 용존수소(DH), pH, conductivity의 조절이 가능하도록 하였다. 원전 고온수환경 조성에는 15～17㏁ 의 초순수를 사용하였으며, 용존산소는 5ppb와 100ppb, 용존수소는 30cc/kg-STP, pH는 7, 온도는 25℃와 316℃의 조건에서 실험하였다.
원전 고온수환경에서 피로균열성장속도를 시험한 결과 용존산소와 frequency가 피로균열성장속도 변화에 큰 영향을 주는 주된 환경인자임을 확인하였다. 용존산소 5ppb의 원전 고온수환경에서는 frequency가 느려짐에 따라 피로균열성장속도가 조금씩 증가하였다. 용존산소 100ppb에서는 frequency가 감소하면 피로균열성장속도는 크게 증가하였으나 매우 빠른 10Hz의 경우에는 피로균열성장속도가 표면산화물에 의한 균열닫힘의 효과로 인해 오히려 감소하였다. 각 용존산소에서 피로시험 후 피로파면을 관찰한 결과 용존산소가 5ppb에서 100ppb로 증가하면 생성된 산화물과 산화막들의 크기가 증가하는 것으로 확인되었다.
질소를 첨가한 Type 347N 스테인리스강을 동일 환경에서 피로균열성장속도를 평가한 결과 각 frequency에서 용존산소에 따른 피로균열성장속도 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 Type 347에 질소가 첨가됨에 따라 원전 고온수환경에서 재료의 부식특성이 향상된 것에 기인하는 것으로 판단된다.
장기 가동중 발생할 수 있는 열적취화에 대한 안정성 확보를 위하여, Type 347 스테인리스강을 고온에서(650℃, 100h) aging 처리 후 미세조직, 경도, 인장강도, 원전 고온수환경에서 피로균열성장속도를 평가하였다. Aging 후 Z-phase로 알려진 CrNbN이 생성되었고, 경도와 항복강도, 원전 고온수환경에서 피로균열 저항성이 향상되는 것으로 보였다.
본 연구를 통해 원전 고온수환경에서 Type 347 스테인리스강의 피로균열성장속도는 용존산소에 따른 부식거동에 큰 영향을 받는 것으로 밝혀졌으며, 이는 frequency가 낮아질수록 그 효과가 심화되었다. 낮은 frequency에서는 용존산소가 높아 부식효과가 증가할 때 피로균열성장속도도 증가하였지만, 매우 빠른 frequency에서는 산화물에 의한 균열닫힘 현상의 영향으로 인해 높은 용존산소에서 균열성장속도는 오히려 감소되었다.
본 연구에서 수행된 실험범위 내에서 원전 고온수환경하에서 Type 347 스테인리스강의 피로균열성장 저항성은 질소첨가강, aging 처리강, 일반강의 순서로 우수한 특성을 나타냈다. 따라서 원전 고온수환경에서 장시간에 걸쳐 부식손상의 효과와 피로손상이 합쳐서 나타나는 환경피로저항성의 향상을 위해서는 질소첨가강과 같이 부식저항성과 강도향상을 동시에 얻을 수 있는 재료의 개선방향이 효과적인 것으로 사료된다.