Special 우주항공/원자력용 극한소재 개발 현황 및 전망(2)

극한 환경용 SiC 구조용 세라믹스 

박지연_(전) 한국원자력연구원 책임연구원

I.    여는 글

SiC 및 SiC 복합체는 극한 환경 – 고온, 부식성(산화) 환경, 원자로의 방사선 노출 및 긴 수명 요구 사항(수백 시간에서 수만 시간)을 견딜 수 있는 우수한 재료이다. 중성자 조사에 따른 치수 변화가 비교적 큰 C/C 복합체와는 달리 SiC/SiC 복합체는 중성자 조사에 의한 안정성이 우수하다. 그러나 SiC/SiC 복합체는 복합체 구성요소(섬유, 계면, 모재)의 특성과 제조 방법에 따라 물성 및 조사 거동에 차이를 나타낸다. SiC 섬유를 강화재로 사용하는 SiC 계 복합체는 1500°C 정도의 고온에서 열-구조적인 안정성을 유지할 수 있는 재료로 사용할 수 있기 때문에 차세대 엔진 부품, 열병합 발전용 가스터빈 부품, 열교환기, 핵융합로 구조재료 및 가스냉각형 4세대 원자로의 노심 구조재료와 핵연료, 가동 중인 가압 경수로 사고 저항성 핵연료 등으로 응용하기 위해 연구개발이 진행되고 있다[1-3]. 또한 항공기 엔진이나 가스터빈의 부품에 세라믹 복합체를 적용할 경우 운전온도의 증가와 부품구조 단순화, 경량화 등을 통해 엔진 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있으며 더불어 유해가스의 방출량 감소도 기대할 수 있다. 

본 기고문에서는 고온, 고방사선의 극한 환경용에서 SiC 및 SiC 복합체의 내환경 특성을 살펴보고, 이에 따른 SiC 소재의 원자력 응용과 우주항공 응용 (가스터빈 중심)을 서술하고자 한다.

II. 본문

II-1. SiC 세라믹의 내환경 특성

가.    온도 영향

그림 1은 극한 환경에서 적용될 금속과 SiC 복합체의 온도에 따른 강도 변화를 나타낸다. 고온 금속은 1000°C 이전까지는 우수한 강도 값을 유지하나 열화 온도의 차이는 있으나 온도가 올라감에 따라 강도의 급격한 감소가 발생한다. 반면 1000°C 까지의 강도 값은 상대적으로 낮더라도, 고온으로 올라가도 SiC 복합체를 비롯한 CMC (Ceramic Matrix Composite)의 강도는 열화없이 계속하여 유지됨을 볼 수 있다. 금속 중에서 경수로 핵연료 피복관 소재인 Zircalloy-4 (Zry-4)는 경수로 운전 온도인 350°C 미만에서 온도에 따른 강도의 감소가 발생하며, 고온형 원자로의 구조재나 항공우주용 고온 부품으로 사용되는 고온용 금속인 초합금 - Alloy 617, TZ-Mo 합금도 800~1200°C 범위에서 강도의 감소가 나타난다. SiC 복합체는 1350~1700°C 범위에서 강도의 감소가 나타나며, 복합체를 제조하는 공정이나 강화제로 사용되는 SiC 섬유의 특성에 따라 강도 감소가 발생하는 온도에 차이가 있다. 3세대 SiC 섬유인 일본 Ube사의 Tyranno-SA 나 NGS Advanced Fibers사의 Hi-Nicalon type S는 결정성이 높고 불순물 함유량이 적기 때문에 상대적으로 우수한 고온 강도 특성을 나타냄을 알 수 있다[4].

그림 1. 온도에 따른 인장 강도의 변화 (14YWT : 산화물 분산 강화 ferritic alloy, TZM : Ti-Zr-Molybdenum 합금)[4]

나.    중성자 조사 영향

그림 2는 중성자 조사 양에 따른 팽윤(swelling)과 열전도도(a)와 강도 변화(b)를 나타낸 곡선이다. 큰 에너지의 중성자로 조사되면 재료는 원자 단위의 원자 이동이 발생하여 공공과 격자간 자리 이동으로 부풀음 현상과 열전도도의 열화가 발생한다. 그러나 그림 2(a)에서 볼 수 있듯이 SiC 복합체는 1 dpa까지는 팽윤 현상이나 열전도도의 빠른 열화가 발생하나 그 이상의 조사양에서는 물성 열화가 포화된 값을 나타내며 더 이상의 열화가 발생하지 않음을 알 수 있다.

그림 2(b)에서 보면 중성자 조사에 의한 SiC/SiC 복합체의 곡강도값 변화는 1, 2세대 섬유인 Nicalon 및 Hi-Nicalon 섬유로 제조된 복합체의 경우에는 1 dpa의 조사량에서도 강도가 20-30% 감소하고 10 dpa 에서는 60% 이상 강도가 감소한다. 이는 중성자 조사에 의해 섬유가 수축함으로써 섬유와 기지상간의 계면에 균열이 형성되기 때문인 것으로 알려져 있다. 반면 3세대 섬유인 Tyranno-SA, Hi-Nicalon Type S 등과 같이 고순도의 결정질 섬유를 사용한 경우에는 70 dpa 까지 강도변화가 거의 없음을 알 수 있다.[5]

그림 2. SiC-CMC의 중성자 조사량에 따른 팽윤 (swelling) 거동 (위) 과 조사 전후의 강도 비교 (아래)[5]

그림 3.  내환경(EBC) 코팅을 SiC 복합체[23]

그림 9. SiC 코팅층이 적용된 고온가스로 TRISO 핵연료

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