SFR 핵연료 피복관용 9Cr-2W강에 첨가한 B 및 N이 시효 처리시 미세조직에 미치는 영향 평가

Abstract

소듐냉각고속로(Sodium-cooled Fast Reactor) 핵연료 피복관은 핵연료와 원자로의 건전성을 결정하는 핵심부품으로 원자로 가동온도 조건에서 우수한 열적 크리프 성능을 요구하고 있다. 기존의 Gr.92(9Cr-2W-Nb-V)강을 기준 합금으로하여 미량원소를 첨가하여 크리프 성능을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 특히 보론과 질소의 함량을 조절한 합금의 경우, 우수한 크리프 특성을 확인하였다. 이러한 보론과 질소의 첨가에 따른 크리프 특성 향상의 원인에 대해서는 고온에서 미세조직 안정화에 의한 것으로 보고하고 있는데, 본 연구에서는 시효처리를 통하여 이러한 미세조직 안정성을 보다 정량적으로 평가하고, 시효 시간에 따른 미세조직 변화 및 기계적 특성 변화를 체계적으로 평가하고자 하였다. 질소 함량이 높은 신피복관 합금의 경우, 최종 열처리 후에 0.1um 이하의 MX형 석출물들이 다량 석출하고 있었으며, 이러한 석출물들은 시효 처리하여도 크게 성장하지 않아 마르텐사이트 기지 조직을 안정적으로 유지시키는 역할을 하는 것으로 평가되었다. 그리고 보론 함량이 높은 신피복관 합금의 경우 M23C6 석출물의 성장 속도가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 M23C6 석출물에 분포하고 있는 보론에 의한 것으로 판단되었다. 즉 보론은 M23C6형 석출물에 주로 분포하며 M23C6성장 속도를 억제하였다. 시효 시간에 따른 보론의 거동을 보면 초기에 보론은 입계 및 입내 석출물에 주로 분포하였으며 시효 시간이 3000시간에 도달한 시점에서는 기지 내에 dissolve된 보론이 입계로 편석 되었다. 이러한 보론의 분포는 7000시간 시효 이후 입계 M23C6형 석출물로 이동하여 M23C6의 성장 억제에 기여하는 것으로 판단된다. 이와 같이 질소 또는 보론을 첨가하면 석출물의 안정성을 높임으로써 신피복관 합금의 크리프 특성을 향상시킨 것으로 판단된다. 또한 보론 첨가합금에서 M23C6 석출물 성장 억제는 시효 이후 강도 및 경도 값의 감소를 지연시키는 것으로 평가되었다.