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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이영국, 김준환
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2020
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소듐냉각고속로(SFR, Sodium-cooled Fast Reactor)는 4세대 원자로 모델 중 소듐을 냉각재로 활용하여 높은 온도에서도 운전이 가능한 차세대 원자로이다. SFR의 핵연료는 금속 핵연료가 기존의 세라믹 핵연료와 함께 고려되어 다양한 연구가 진행되는 현황이다. 핵연료를 감싸는 피복관은 핵연료의 구조적 지지와 핵연료 및 핵분열 생성물을 안전하게 밀봉하는 기능을 수행하여 원자로의 안전성에 중대한 역할을 담당한다. 하지만 SFR의 운전온도인 650 ℃에서 금속의 핵연료와 피복관의 공융 및 상호반응(FCCI, fuel-cladding chemical interaction)이 발생하여 피복관의 두께를 얇게 하고, 피복관의 성질을 취성으로 변화시키게 된다. 이러한 문제는 원자로 안전성에 치명적인 위협이 되며, FCCI를 예방하기 위한 피복관의 내면 배리어 층 형성이 필수적으로 요구된다.
본 연구는 다음의 2단계로 나누어 진행하였다. 첫 번째로, 전해도금의 다양한 공정 변수 중, 도금 욕의 온도와 인가전류의 파형을 변화에 따른 Cr 도금 층 형성에 미치는 영향 연구를 수행하였다. 두 번째로, Cr 도금 층을 형성한 시편을 RF 플라즈마를 활용한 이온 질화공정을 수행하여 Cr 도금 층 표면에서 Cr₂N을 형성하였다.
Cr 도금 층 형성 시 도금 욕의 온도상승을 통해 균열이 발생되지 않은 무 균열 도금 층의 성공적인 형성을 SEM을 통하여 관측하였다. 또한, 파형, 전류밀도, Duty cycle의 조합으로 안전상인 Cr과 안정상과 준안정 상이 혼합된 Cr이 도금되는 것을 XRD를 통해 관측하였으며, 질화를 위한 가열 단계에서 도금 층 내부에 존재하는 수소의 방출로 인해 많은 균열이 발생되는 것을 TDA와 Determinator를 통하여 확인할 수 있었다. 또한, Cr의 표면을 10시간 이상의 질화 공정을 수행하여 XRD 분석을 통해 Cr₂N의 성공적인 형성을 확인 할 수 있었다. 초기 도금 층 형성 단계에서 발생된 미세균열은 Cr₂N의 형성 시 발생되는 부피의 팽창을 이용하여 회복시킬 수 있었다. 또한, 안정상의 Cr으로 형성된 무 균열 도금 층은 질화 공정의 수행에서도 균열이 발생되지 않은 우수한 형상을 보여주었다. 모의 핵연료 합금(Ce:Nd=1:1wt%)을 활용한 diffusion couple test를 통하여 도금 층 형성 단계에서 발생된 미세균열은 72시간의 질화 공정 수행을 통해 미세 균열 내부에 Cr₂N 형성으로 미세균열을 회복한 Cr/Cr₂N 이중 배리어와 안정상의 Cr으로 형성된 무 균열 Cr도금 층의 10시간 이상의 질화 공정 수행으로 Cr 도금 층 표면에 를 형성한 이중배리어가 최적화된 FCCI 저감을 위한 배리어 공정임을 확인하였다.
본 연구는 다음의 2단계로 나누어 진행하였다. 첫 번째로, 전해도금의 다양한 공정 변수 중, 도금 욕의 온도와 인가전류의 파형을 변화에 따른 Cr 도금 층 형성에 미치는 영향 연구를 수행하였다. 두 번째로, Cr 도금 층을 형성한 시편을 RF 플라즈마를 활용한 이온 질화공정을 수행하여 Cr 도금 층 표면에서 Cr₂N을 형성하였다.
Cr 도금 층 형성 시 도금 욕의 온도상승을 통해 균열이 발생되지 않은 무 균열 도금 층의 성공적인 형성을 SEM을 통하여 관측하였다. 또한, 파형, 전류밀도, Duty cycle의 조합으로 안전상인 Cr과 안정상과 준안정 상이 혼합된 Cr이 도금되는 것을 XRD를 통해 관측하였으며, 질화를 위한 가열 단계에서 도금 층 내부에 존재하는 수소의 방출로 인해 많은 균열이 발생되는 것을 TDA와 Determinator를 통하여 확인할 수 있었다. 또한, Cr의 표면을 10시간 이상의 질화 공정을 수행하여 XRD 분석을 통해 Cr₂N의 성공적인 형성을 확인 할 수 있었다. 초기 도금 층 형성 단계에서 발생된 미세균열은 Cr₂N의 형성 시 발생되는 부피의 팽창을 이용하여 회복시킬 수 있었다. 또한, 안정상의 Cr으로 형성된 무 균열 도금 층은 질화 공정의 수행에서도 균열이 발생되지 않은 우수한 형상을 보여주었다. 모의 핵연료 합금(Ce:Nd=1:1wt%)을 활용한 diffusion couple test를 통하여 도금 층 형성 단계에서 발생된 미세균열은 72시간의 질화 공정 수행을 통해 미세 균열 내부에 Cr₂N 형성으로 미세균열을 회복한 Cr/Cr₂N 이중 배리어와 안정상의 Cr으로 형성된 무 균열 Cr도금 층의 10시간 이상의 질화 공정 수행으로 Cr 도금 층 표면에 를 형성한 이중배리어가 최적화된 FCCI 저감을 위한 배리어 공정임을 확인하였다.
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