Special 극한환경 대응 고온 세라믹 복합소재 기술 개발 동향(2)

차세대 원자력시스템용 탄화규소 세라믹스 및 복합재료 연구개발 현황

김원주_한국원자력연구원 재료안전기술개발부 책임연구원

1. 서론

현재 가동 중인 상용 원자로는 대부분 물을 냉각재로 사용하는 경수로 또는 중수로 형태이며 운전온도가 300℃ 내외이기 때문에 원자로 노내/외 부품으로 대부분 금속소재가 사용되고 있다. 세라믹 소재의 경우 UO2 등의 핵연료, B4C와 같은 중성자 제어재, 절연재, 센서류 등 주로 기능적 소재로 한정되며 내마모 특성이 요구되는 냉각재 펌프의 mechanical seal, 해수펌프 수중축수, 펌프 가스킷 등의 노외 부품에 Al2O3, SiC 세라믹스 및 TiN, CrN 코팅재 등이 일부 사용되고 있다[1]. 그러나 운전조건이 현용 원자로보다 훨씬 혹독한 제4세대 원자로나 핵융합로 등에서는 세라믹 구조재의 사용이 필요하며 특히 탄화규소(SiC) 세라믹 및 복합체 소재가 다양한 노형에서 후보소재로 고려되고 있다[2,3]. 또한 후쿠시마 사고 이후에 사고안전성의 향상을 위해 경수로용 핵연료 피복관 및 핵연료 구조체로도 SiC 복합체 적용을 위한 연구개발이 이루어지고 있다[4,5].
표 1은 경수로, 제4세대 원자로 및 핵융합로 등의 정상운전 및 중대사고 조건에서의 환경과 SiC 소재가 후보재로 고려되고 있는 부품 및 적용 필요성 등을 요약한 것이다. 경수로의 경우 현재 Zr 합금이 핵연료 피복관으로 사용되고 있으며 핵연료 교체 시점에서의 중성자 조사량은 약 10 dpa 이하이다. 후쿠시마 사고와 같은 중대사고 조건에서 비상노심냉각수가 공급되지 않으면 핵연료 온도는 1200℃ 이상 상승할 수 있으며 Zr 합금 소재는 고온 수증기 산화에 매우 취약하다. 따라서 고온 수증기 산화에 의한 수소 발생을 억제하고 고온 구조 건정성을 유지할 수 있는 SiC 복합체를 사고 저항성 핵연료로 적용하고자 하는 연구가 이루어지고 있다. 핵융합로용으로는 He 가스나 Pb-Li을 냉각재로 사용하는 고온형 핵융합로의 블랭킷 구조물이나 flow channel insert로 적용 가능하며 이를 통해 열효율 향상을 이룰 수 있다. 2000년대 이후에는 SiC 복합체 소재를 초고온가스로의 제어봉 부품과 노내 구조물 부품으로 적용하기 위해 연구가 이루어지고 있으며 일부 가스냉각 고속로 개념의 경우 핵연료 피복관이나 구조부품으로 활용하고자 시도하고 있다. 뿐만 아니라 소듐냉각 고속로 및 용융염냉각 고온로(AHTR, MSR 등)의 핵연료 피복관 적용을 위한 타당성 분석도 이루어진 바 있다[6]. 여기에서는 차세대 원자력 시스템 적용을 위한 SiC 세라믹스 및 복합체의 특성 요건과 최근의 연구개발 현황을 소개하고자 한다.

2. 원자력용 SiC계 세라믹스 특성

원자력용으로 SiC계 세라믹스 소재가 처음으로 사용된 것은 1950년대 후반 TRISO(TRistructural ISOtropic) 피복입자 핵연료의 코팅층으로 활용된 것이다. TRISO 핵연료는 VHTR과 같은 고온가스냉각로의 핵연료로 사용되는데 그림 1과 같이 직경이 0.5 mm 정도인 UO2 연료핵에 다공성 열분해 탄소층, 치밀 열분해 탄소층, SiC 층이 코팅된 구조를 갖는다[7,8]. 이 입자들을 흑연분말과 혼합하여 원자로의 형태에 따라 페블 형태나 펠렛 형태로 제조하여 핵연료로 사용하게 된다. 이 피복입자 핵연료를 통해 원자로 내에서 SiC 소재의 거동을 연구함으로써 원자력 활용을 위한 SiC계 세라믹스의 노내 특성 연구가 다양하게 이루어진 바 있다[9-11]. 다음 절에서는 제조방법에 따른 영향, 원자력급 SiC 복합체 특성 요건 및 노내 특성에 관한 내용을 기술하였다.

그림 1. 고온가스로용 TRISO 피복입자 핵연료의 구조 및 세라믹 코팅층[7,8]

2-1. 제조방법에 따른 SiC 노내 특성
SiC 세라믹스의 노내 특성은 소재의 순도, 결정성, 화학양론비, 결정구조, 미세구조 등 다양한 변수에 의해 영향을 받게 되며 제조 방법의 차이에 따라 노내 환경에서의 특성 열화가 다르게 나타난다. 그림 2는 중성자 조사 후 소결법으로 제조한 SiC와 화학기상증착법(CVD)으로 제조한 SiC의 강도 변화를 나타낸 것이다[12]. 소결법으로 제조된 SiC 소재는 0.1 dpa의 작은 조사량에서도 강도 감소가 매우 크게 나타나는 반면 CVD SiC는 20 dpa 이상에서도 강도 감소가 거의 없거나 일부 증가하는 경향을 나타내고 있다. 소결법으로 제조된 SiC는 소결조제로 첨가되는 보론이 중성자 조사를 받게 되면 헬륨으로 변환되어 입계에 기공을 형성하거나, 육방정 구조의 α상의 이방성에 의한 결함 형성, 불순물로 함유된 free Si 과 SiC 입자와의 조사거동 차이 등에 의한 결함 형성이 강도 감소의 원인으로 알려져 있다. 그림 3은 반응소결법, 고상소결법 및 CVD 방법으로 제조한 SiC의 360℃ 고온고압수 환경에서 부식거동을 나타낸 것이다. 부식시험 후 무게 감량은 CVD SiC, 고상소결 SiC, 반응소결 SiC 순으로 증가함을 알 수 있으며, 반응소결 SiC에서는 free Si 함량이 가장 적은 RBSC(S) 소재가 free Si 함량이 가장 많은 RBSC(H) 소재에 비해 부식에 의한 무게 감량이 비교적 적은 것으로 나타나고 있다. 이는 free Si이 SiC 입자에 비해 부식에 취약하며 소결조제가 첨가된 고상소결 SiC 입계에 존재하는 불순물로 인해 입계부식이 선택적으로 일어나기 때문이다[13,14].

그림 2. 소결법으로 제조된 SiC와 CVD SiC의 중성자 조사 후 강도 변화[12].

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