1. 서 론
핵연료 피복관은 원자력 발전소에서 핵연료를 감싸고 있는 부품으로서 핵연료 및 연소 중 생성된 핵분열 생 성물들의 외부 유출을 방지하는 일차 방호벽의 역할을 수행한다. 핵연료 피복관은 핵연료의 성능과 원자력 발 전소의 안전에 밀접하게 연관되며, 원자로의 정상 운전 조건에서 우수한 성능을 유지하여야 할 뿐만 아니라 예 기치 못한 사고상황에서도 그 건전성을 최대한 유지하 여야만 한다. 이러한 핵연료 피복관은 일반적으로 지르 코늄 기지의 합금이 사용되고 있다. 지르코늄의 경우 매 우 낮은 중성자 흡수단면적을 가지고 있으며, 원자로 정 상 운전 조건에서 부식저항성도 우수하다. 하지만 후쿠 시마 사고 이후 중요시 되고 있는 사고 안전성 면에서 살펴보면, 중대사고 발생 시 급격한 고온산화를 동반한 발열반응과 다량의 수소발생이 문제가 된다. 또한 고온 에서 기계적 강도를 소실하거나 용융될 우려가 있다.
본 연구에서는 기존 지르코늄 피복관의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 레이저를 이용한 표면처리를 수행하 였다. 산화물분산강화(ODS, oxide-dispersed-strengthened) 기술은 금속 기지상에 산화물 미세입자를 분산시켜 금 속 소재의 강도를 높이는 방법이다.1-3) 따라서 ODS 처 리기술을 지르코늄 소재에 적용하면, 지르코늄 합금의 강 도를 높이고 고온 변형 및 파손에 대한 저항성을 높일 수 있다. 전통적인 ODS 제조는 합금의 제조 시작단계 에서부터 원료분말에 산화물 입자를 혼합하여 기계적 합 금화하고, 소결, 고온등방가압 등으로 성형하고 가공과정 을 통해 최종 제품을 얻는다. 일반적으로 ODS 소재는 강도가 높아지는 효과가 있는 반면에 연신율이 급격히 감소하는 단점이 있다. 최근에는 레이저를 열원으로 사 용하여 모재의 표면층에만 ODS 처리층을 형성시키는 기 술이 보고되고 있다.4-7) 벌크의 ODS 소재에 비하여 표 면처리 ODS 소재는 기술 적용성이 넓어 소재의 형상과 규모에 제약이 적고 제조 경제성도 우수한 장점이 있다. 또한 모재의 특성이 유지되므로 일반적으로 ODS 소재 에서 나타나는 취성이 크게 문제되지 않는다.
본 연구에서는 지르코늄 합금 모재로 산업체에서 개발 한 KNF-M 합금과 HANA-6 합금 피복관을 사용하여 레 이저 ODS 표면처리 실험을 수행하고, 강도 증가에 미 치는 효과를 분석하였다.
2. 실험방법
실험에 사용된 핵연료 피복관은 국내 산업체에서 개발 한 KNF-M 합금과 HANA-6 합금으로서 지르코늄 함량 이 95 % 이상이며 소량의 함금 첨가원소가 포함되어 있 다. KNF-M 합금은 완전재결정 미세조직으로 최종열처 리 되었고, HANA-6 합금은 부분재결정 미세조직으로 최 종 열처리하여 제조되었다. ODS 처리층 형성을 위하여 사용된 산화물 분말은 평균입도가 20~50 nm인 Y2O3 분 말(Alfa Aesar, USA)이었다. 코팅 용액은 원료 분말을 에탄올에 분산시켜 준비하였다. 원료 분말과 에탄올은 1:1 의 무게 비율로 혼합되어, 지르코니아 볼을 이용하여, 24 시간 이상 볼 밀링을 수행하였다. 준비된 코팅 용액을 스프레이 건(LPH-50, Anest Iwata, Japan)을 이용하여, 공급압력 0.1 MPa, 분사거리 약 30 cm 조건에서 상하 2~3회 반복하여 피복관에 균일하게 도포하였다.
산화물이 도포된 피복관은 레이저 장치(MX-K, 인스 텍, Korea)에 장착되어 ODS 처리공정이 수행되었다. 레 이저는 1,064 nm 파장의 연속파 레이저이었으며, 광학계 의 빔 크기 직경은 1.0 mm이었다. ODS 처리공정에서 빔 출력은 180W 또는 200W로 변화시켰고, 축방향 진행 속도(X_speed)와 피복관 회전속도(R_speed)를 변화시켰 다. 또한, 노즐을 통하여 불활성의 아르곤 가스가 토출 되어 시편의 산화를 억제하였다. 피복관 튜브 내부로는 냉각수를 흘려 레이저 빔에 의한 열원으로부터 피복관 을 보호하였다.
링 인장 시험을 위한 시험편은 레이저 처리된 ODS 피 복관에서 길이 2.9~3.0 mm 크기로 절취되어 준비되었다. 피복관의 외경은 9.5 mm이었으며, 두께는 0.57 mm이었 다. 링 인장 시험은 치구 소재에 따라 인장연신에 대한 인장하중 거동이 변화되는데, 본 실험에서는 인코넬 합 금으로 제작된 치구를 사용하였다. 인장시험은 만능재료 시험기(Instron 3367, USA)를 이용하여 크로스헤드 이동 속도 1 mm/min으로 시험되었다. 연신율은 표점거리를 5 mm로 정하여 계산하였다. 인장시험은 상온과 400 ºC에 서 각각 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 1은 KNF-M 합금 피복관에 180W 및 200W의 레이저 빔 출력으로 ODS 처리한 시편의 미세조직 사진 이다. 튜브 시편의 축방향 단면 미세조직이며 튜브 두 께는 0.57 mm로 동일하다. 공정에 대한 축방향 진행속 도와 피복관 회전속도 변화에 대해 미세조직이 변화되는 것을 볼 수 있다. 시편의 표면에는 ODS층이 20~55 μm 두께로 형성되고, ODS층 아래로 열영향부(HAZ, heataffected zone)가 형성되었다. ODS 처리층은 뚜렷하였으 나, HAZ 형성이 매우 큰 것을 관찰할 수 있었다. ODS 처리층은 레이저 열원에 의해 소재가 직접적인 용융·냉 각의 열적 상변화를 겪은 영역에 해당하며, 표면부에 관 찰되는 얇은 층의 레이저 빔의 파형으로 구분된다.* 특 히, 레이저 처리속도가 매우 느린 경우(X=0.3, R=4)에는 모재가 모두 HAZ로 변화된 것이 관찰되었다. 회전속도 에 따라서는 회전속도가 빠를수록 HAZ 깊이가 감소하 였으며, 같은 회전속도에서는 축방향 이동속도가 느린 경 우에 HAZ 영역이 감소하였다. 이는 노즐로 분사되는 아 르곤 가스에 의한 냉각효과로 추정된다. 같은 공정조건 에서 레이저 출력이 높은 경우에는 ODS 처리층의 두께 와 HAZ 영역의 깊이가 증가하였다. 레이저 빔 출력이 200 W인 경우에는 대부분의 공정조건에서 모재가 모두 열영향 변화가 일어났음을 확인할 수 있다.
Fig. 1
Cross-sectional microstructures of ODS surface-treated KNF-M alloy tubes with respect to various laser processing conditions. The thickness of the tubes is 0.57 mm.
Fig. 2는 HANA-6 합금 피복관에 180 W 및 200 W의 레이저 빔 출력으로 ODS 처리한 시편의 미세조직을 보 여준다. 튜브의 제원은 0.57 mm로 동일하다. 공정 속도 변화와 레이저 출력의 효과에 대해 관찰한 결과, 시편 의 표면에는 ODS층이 20~50 μm 두께로 형성되고, HAZ 가 크게 발달하였다. 레이저 빔 출력이 180W에서 200 W로 증가한 경우에는 ODS 처리층의 두께와 HAZ 영 역의 깊이가 증가하였다. HAZ 아래에는 모재가 원래의 미세조직을 유지하고 있는데, 이러한 열영향을 받지 않 고 모재가 유지되는 부분은 공정속도가 빠를수록 증가 되었다.
Fig. 2
Cross-sectional microstructures of ODS surface-treated HANA-6 alloy tubes with respect to various laser processing conditions. The thickness of the tubes is 0.57 mm.
실험에 사용된 피복관 모재의 미세조직은 KNF-M 합 금의 경우에는 완전재결정(RX) 미세조직이고, HANA-6 합금의 경우에는 부분재결정(PRX) 미세조직이었다. Fig. 3은 KNF-M 합금과 HANA-6 합금에 동일한 공정조건 (180W, X=0.4, R=5)으로 ODS 처리한 결과를 비교하여 보여준다. ODS 및 HAZ 영역의 크기가 HANA-6 합금 에 비하여 KNF-M 합금에서 더 큰 것을 확인할 수 있 다. ODS 처리층은 KNF-M 합금에서 30~55 μm 두께로 형성되었고, HANA-6 합금에서는 30~45 μm 두께로 형 성되었다. HAZ 영역의 크기 차이는 모재의 미세조직의 차이로 인하여 완전재결정 조직을 갖는 KNF-M 합금이 부분재결정인 HANA-6 보다 열영향에 민감하게 반응하 였음을 의미한다. 레이저 열원은 국부적으로 모재의 용 융을 유발한다. 용융은 순간적으로 발생하며 급속도로 냉 각이 진행되어, 지르코늄 모재의 마르텐사이트 변태를 유 발하는 것이 보고되었다.5,6) 냉각에 의한 소재의 변태과 정은 열확산의 차이와 모재의 미세조직에 의해 달라지 게 된다. 완전재결정 조직에서 HAZ가 더욱 크게 형성 되는 이유는 첫째, 열영향부의 침상조직이 완전재결정 조 직보다 부분재결정 조직에서 미세조직의 유사성이 크기 때문에 부분재결정 조직에서 HAZ 형성이 제한되고, 둘 째, 열확산의 정도가 전위밀도가 낮은 완전재결정 조직 에서 크게 나타나기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 3
Microstructures of (a) KNF-M and (b) HANA-6 alloy tubes ODS-treated at 180 W laser beam power: substrate annealing conditions for the KNF-M and HANA-6 alloys were RX(recrystallized) and PRX(partial recrystallized), respectively.
Fig. 4에는 합금 소재에 따른 상온 링 인장 시험결과 를 나타내었다. 비교를 위하여 상용 지르코늄 피복관인 Zircaloy-4 합금의 결과를 함께 제시하였다. Zircaloy-4 합금은 응력완화 미세조직을 갖고, Sn 함금원소에 의한 고용강화 효과로 상온 인장강도가 높은 특징이 있다. 링 인장 시험에서 상온 강도가 약 840 MPa로 나타났다. 이 에 비하여 HANA-6 합금과 KNF-M 합금은 상온 인장 강도가 점차 낮아지는 반면 연신율은 증가하였다. HANA-6 합금과 KNF-M 합금의 상온 인장 강도는 약 720 MPa 및 약 550 MPa이었다. 연신율은 Zircaloy-4 합금에 비하 여, HANA-6 합금과 KNF-M 합금이 각각 1.2배, 1.5배 정도 증가되었다. 다만 이러한 경향은 소재의 미세조직 에 의한 효과뿐만 아니라 합금 종류에 따른 합금 첨가 원소에 의한 석출강화, 고용강화의 효과가 복합적으로 나 타나는 현상이므로, 단순한 비교로 전체의 경향을 판단 하기에는 무리가 있다.
Fig. 4
Stress–strain curves of several zirconium-based alloys (Zircaloy-4, HANA-6, and KNF-M) in a ring tensile test at room temperature.
본 실험의 목적은 지르코늄 합금 피복관의 강도를 증 가시키기 위하여 ODS 표면처리를 수행하는 것이다. Fig. 5에는 KNF-M 합금 피복관에서 ODS 처리에 따른 링 인 장 강도의 변화를 나타내었다. 상온[Fig. 5(a)]에서 KNFM 합금의 인장강도는 약 550 MPa이었으며, ODS 처리 한 시편은 인장강도가 980~1,000 MPa로 크게 향상되었 다. 그러나 인장 연신율이 급격히 감소하는 현상이 나 타났다. 인장강도는 거의 두 배 가량 증가한 반면에 연 신율은 1/5~1/10로 대폭 감소하여, 소재가 크게 취화된 것이 확인되었다. KNF-M 합금의 경우에는 ODS 처리 에 의하여 열영향부가 크게 발달하였다. 열영향부는 침 상의 마르텐사이트 혹은 위드만스테튼 조직이므로 모재 인 완전재결정 조직보다 강도는 크게 증가하고 연신율 은 감소하게 된다. 또한 모재 대비 HAZ 영역의 비율이 크기 때문에 취성이 더욱 두드러졌다. Fig. 5(b)는 400 ºC에서 수행한 고온 인장 시험의 결과를 보여주며, 상 온 인장 시험의 결과와 유사하게 ODS 처리된 시편에서 강도의 큰 증가와 연신율의 저하가 관찰되었다. 모재의 인장강도는 약 270 MPa이었으며, ODS 표면처리된 시편 의 인장강도는 680~720 MPa로 두 배 이상 높았다.
Fig. 5
Stress–strain curves of fresh and ODS KNF-M samples in a ring tensile test at (a) room temperature (RT) and (b) 400°C, respectively.
Fig. 6은 HANA-6 합금 피복관에서 ODS 처리에 따 른 링 인장 강도의 변화를 보여준다. 상온[Fig. 6(a)]에 서 HANA-6 합금의 인장강도는 약 720 MPa이었으며, ODS 처리한 시편은 인장강도가 860~880 MPa로 약 20 % 향상되었다. 인장 연신율은 약 35 % 감소하였다. 인 장강도의 증가폭과 연신율의 감소폭이 KNF-M 합금에 비 하여 적었다. 이는 HANA-6 합금의 미세조직이 부분재 결정이기 때문인 것으로 판단된다. 고온 인장 시험[Fig. 6(b)]에서도 ODS 처리된 시편에서 강도의 큰 증가가 관 찰되었다. 모재의 인장강도는 약 370 MPa이었으며, ODS 표면처리된 시편의 인장강도는 575~585 MPa로 약 55 % 향상되었다. 연신율은 약 절반 수준으로 감소하였으나 취 성의 파단은 관찰되지 않았다.
Fig. 6
Stress–strain curves of fresh and ODS HANA-6 samples in a ring tensile test at (a) room temperature (RT) and (b) 400°C, respectively.
ODS 처리에 따른 취화는 상온 인장 시험에서 두드러 지고, 고온에서는 열적 회복에 따른 소재의 연화 현상 으로 파단 양상이 취성에서 연성으로 전환된다.6) 그러나 KNF-M 합금에서는 고온에서도 취성 파단이 관찰되었다. 이는 모재의 열적 회복이 충분하지 않았음을 의미한다. 반면, HANA-6 합금에서는 상온과 고온에서 유사한 수 준의 연신율이 확보되었다. HANA-6 합금의 경우에는 인 장 연신율이 급격히 줄어들며 취성 파단에 이르는 현상 이 나타나지 않기 때문에 ODS 처리 효과가 더욱 기대 된다고 할 수 있다.
4. 결 론
국내 산업체에서 개발한 지르코늄 피복관인 KNF-M 합 금 및 HANA-6 합금 피복관에 대해 레이저 ODS 처리 하여, 피복관의 기계적 강도를 향상시키는 연구를 수행 하였다. 스프레이 분사된 Y2O3 산화막에 레이저 빔 조 사를 통하여 20~55 μm 두께의 ODS 처리층을 형성하였 다. ODS 층 아래로 형성되는 HAZ는 모재의 특성에 영 향을 받는 것으로 관찰되었으며, KNF-M 합금 피복관이 HANA-6 피복관에 비하여 HAZ가 더 크게 형성되었다. 모재의 기계적 특성은 KNF-M 합금에 비해 HANA-6 합 금이 더 높은 인장강도를 나타내었고, 연신율은 반대 양 상이었다. ODS 처리에 따라 인장강도는 크게 증가하였 는데, KNF-M 합금 피복관의 강도 증가가 현저하였다. KNF-M 합금은 ODS 처리에 의해 인장강도가 두 배 이 상 증가하였다. 반면에 연신율이 급격히 저하되어 취성 의 파단이 관찰되었다. HANA-6 합금 피복관의 경우에 는 상온에서 20 %, 고온(400 ºC)에서 55 % 강도 증가가 관찰되었고, 소재 취화에 의한 연신율의 감소도 크지 않 았다. 합금 모재의 미세조직에 따라 ODS 표면처리의 양 상과 기계적 특성의 거동이 달라지므로 ODS 처리를 위 한 모재의 초기 미세조직의 선정이 중요한 요소가 될 것 으로 판단된다.
