가압경수로 1차 계통 환경에서 용존 산소와 염소에 따른 스테인리스강 316L의 응력부식균열 연구

Abstract

가압경수로(PWR)에서 스테인리스강의 응력부식균열(SCC)은 원전에서 매우 중요한 현안과제이다. 스테인리스강은 고온강도, 연성, 인성, 내식성 등이 우수해서 원자력뿐만 아니라 여러 산업계에서도 널리 사용중이다. 하지만 특정 환경 조건에서 응력부식균열이 발생하여 스테인리스강의 미세 구조 및 물리적, 기계적 성질을 악화시켜 원전 운영에 큰 영향을 끼치고 있다. 이를 해결하기 위해 스테인리스강 기기의 응력부식균열에 대한 여러 기술개발 및 연구가 진행되었지만, 응력부식균열에 취약해질 수 있는 환경 및 조건의 범위를 정의하기 위한 실험적 데이터는 여전히 부족하다. 본 연구에서는 응력부식균열 발생 조건의 범위를 정의하기 위해 용존 산소와 염소 농도를 조절하여 응력부식균열 발생시키는 실험을 진행하였으며, 수화학 모사 환경 외의 추가 요건인 용존 산소와 염소와 같은 불순물들이 취약한 결정립계(grain boundary)에 침투하여 균열이 발생할 것이라 예상하여 입계응력부식균열(IGSCC)를 확인하고자 하였다. 실험을 위해서 수화학 모사 장비로 1차 계통 냉각재와 유사한 수화학 환경(360℃, 20 MPa 및 LiOH (2ppm) + H_(3)BO_(3) (1200ppm))을 조성하고, 용존산소와 염소가 응력부식균열에 미치는 영향을 보기 위해 공기(25℃), 수화학 모사 환경, 수화학 모사 환경+산소(5ppm)+염소(4ppm)인 3가지 환경에서 실험을 진행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다. 각 환경에 따른 응력-변형률 곡선을 보면 1차 계통의 수화학 환경을 조성함에 따라 스테인리스강 316L의 항복강도, 인장강도, 연신율이 감소하여 기계적 성질이 악화되었다. 이는 온도, 압력, 리튬, 붕소, 등이 재료의 미세구조에 영향을 줘서 응력부식균열의 민감도를 높이는 것을 알 수 있다. 특히5 ppm의 용존산소와 4 ppm의 염소를 주입하고 2×10^(-7) /s 의 연신율로 실험을 진행한 결과로 응력부식균열이 발생하여 기존 스테인리스강 316L이 가지고 있던 기계적 성질이 매우 악화한 것을 알 수 있다. 파단된 각 실험 인장 시편의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과, 산소와 염소가 주입된 환경에서 시편 파단면의 변화율이 9.7%으로 가장 변화가 적으며, 취성 파괴되어 응력부식균열에 대한 영향을 확인할 수 있다. 이는 공기(25℃), 수화학 모사 환경에서는 네킹(necking)현상으로 인하여 기존 시편의 단면적 대비 파단 단면적이 줄어 들어 연성파괴가 일어났음을 알 수 있으며 용존산소와 염소 실험에서는 응력부식균열이 발생하여 균열이 발생한 것을 알 수 있다. 또한 많은 양의 산소와 염소가 주입되면서 발생한 산화물이 넓게 분포되었음을 SEM 분석을 통해 확인하였으며, 시편의 파단면에서 결정립계(grain boundary)를 따라 발생한 균열을 확인하였고, 최종적으로 IGSCC가 발생하였음을 확인하였다.