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<그림 1. 시범 제작된 ADSS 합금 피복관 튜브(0.3 mm x 8 mm x 910 mm)를 들고 있는 김채원(석사과정), 김현명(박사과정) 학생>


원자력 및 양자공학과 장창희교수 연구팀(원자로 및 고온재료연구실)의 김현명학생(박사과정) 은 원자력발전소의 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 사고저항성 핵연료 피복관용 소재로 고강도 듀플렉스 스테인리스강(high strength alumina-forming duplex stainless steels, ADSS)을 개발하고, 최근 피복관튜브 시작품 제작에도 성공하였다. (사진 1)


지난 2011년에 발생한 일본 후쿠시마 원전 사고가 고온에서 지르코늄 핵연료 피복관의 급격한 부식과 이로 인해 발생한 수소폭발로 그 피해가 심각해진 것으로 분석됨에 따라, 기존의 지르코늄 핵연료 피복관을 부식 및 산화 저항성이 우수한 소재로 대체할 필요성이 제기되었다. 이러한 목적으로 사고저항성 핵연료 피복관(accident tolerant fuel cladding, ATF cladding)을 개발하는 연구들이 미국을 포함한 많은 원전운영국에서 활발하게 진행되고 있다. 현재 국내외적으로 외부표면을 다양한 재료로 코팅하는 것과 피복관 자체를 부식저항성이 우수한 SiC 소재나 페리틱 스테인리스강으로 대체하려는 시도가 있으나 4 m 이상의 길고 얇은 핵연료 피복관튜브의 제작 및 성능확보에 어려움을 겪고 있다.


이에 비해 이번에 본 연구팀이 개발한 사고저항성 핵연료 피복관 소재인 ADSS 합금은 1) 기존의 합금제조 공정으로 쉽게 제작할 수 있으며, 2) 원전 운전조건뿐만 아니라 후쿠시마와 같은 중대사고 조건에서도 탁월한 부식저항성을 보여 수소발생을 거의 원천적으로 제거하고, 3) 균일한 듀플렉스 조직에 미세한 석출상들을 분포시킴으로써 1 GPa 정도의 고강도를 가지는 장점을 가지고 있다. (그림 2) 또한, 기존의 핵연료 및 노심설계에 미치는 영향도 적은 것으로 평가되었다. 최근에는 기존의 피복관 제작공정으로 두께 0.3 mm 정도의 얇은 피복관튜브를 1.6 m 0.9 m 길이로 제작하는데 성공하여 상업적 적용에 필요한 우수한 제작성도 확인하였다. (그림 3)


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<그림 2. 듀플렉스 조직을 보이는 ADSS 합금의 미세조직과 고강도 특성을 보이는 인장시험 결과>

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<그림 3. 시범 제작된 ADSS 합금 피복관 튜브(0.3 mm x 8 mm x 910 mm)>

이와 같은 연구결과는 20188월 원자력재료분야 최우수저널인 J. of Nuclear Materials 에 게재되었으며 NuMat NURER 과 같은 관련 국제학회에서도 소개되어 많은 관심을 받았다. 또한 관련된 국내특허 2건을 등록하였으며, 현재 미국과 중국에 국제특허 2건을 출원 중이다.


ADSS 합금은 KAIST 기관고유사업인 KUSTAR-KAIST 국제공동연구 및 과기정통부의 선도연구센터 연구로 개발되었으며, 피복관튜브 제작은 산업부의 에너지기술개발사업으로 한전원자력연료()와 공동연구로 수행되었다.




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