경수로 사용후핵연료 건식저장을 위한 지르칼로이-4 내 응력구배에 의한 수소 거동 연구

Abstract

경수로 사용후핵연료 건식저장시 연료 손상을 방지하기 위하여 사용후핵연료 관리방안과 관련 규제 요건이 마련되어야 한다. 수소화물재배열 및 지연수소균열과 같은 수소화물 석출로 인한 열화기구가 피복관 건전성에 악영향을 미치는 결정적인 열화기구로 알려져 있다. 지르코늄 합금 내 수소 거동을 결정하는 인자로는 수소농도, 온도, 그리고 응력이 존재한다. 농도와 온도에 의한 수소 확산은 선행 연구자들에 의해 실험적 데이터 축적이 활발했던 반면, 응력에 의한 수소 확산과 관련하여서는 실험적 데이터가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 지르칼로이-4 내 응력구배에 의한 수소 거동을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 다양한 고온조건에서 일정한 점 하중을 주어 수소 확산 실험을 수행하였으며 확산 정도를 평가하기 위해 응력구배에 따른 경도 값을 측정하였다. 또한, 수소 확산 실험 후 수소화물 분포 변화 정도를 확인하기 위하여 이미지 분석을 수행하였다. 실험 결과를 바탕으로 응력을 따라 수소농도가 증가하는 경향성을 확인하였으며, 온도가 수소 고용도한계 이상일 때 응력구배를 따라 수소의 확산이 급격히 증가하는 현상을 관찰하였다. 결과적으로 응력과 수소농도는 비례하며, 비례상수는 온도에 의존성을 가짐을 확인하였다.