인코넬690 응력부식균열 예측기술 세계 최초 개발- 김성우 / 한국원자력연구원 원자력안전연구소 안전재료기술개발부

이장에서는 우리나라 상용원전에 쓰이는 인코넬690의 부식균열을 예측하는 기술을 세계 최초로 개발한 한국원자력연구원 김성우 박사를 통해 이 기술의 활용방안에 대해 들어보았다. <편집자주>

원전에서 부식 예측 기술의 중요성에 대해 간략한 설명 부탁드립니다.

– 집에서 쓰는 수도꼭지는 금이 가서 물이 새면 금방 바꾸지만, 원전에 사용하는 노즐은 그럴 수 없습니다. 원전을 안전하게 운영하기 위해서는 부품이 언제 부식되고 언제 균열이 생길지 예측해서 적절하게 교환해야 합니다. 원자력 안전 연구에서 부식균열 예측 기술이 중요한 이유입니다.

이번에 저희 연구팀은 우리나라 원전에서 최근 사용중인 소재, 인코넬690의 부식균열을 예측하는 기술을 세계 최초로 개발했습니다.

원전에서는 정기적인 초음파 검사 중 관통관 노즐에서 균열 신호를 발견하면 정밀 검사를 통해 균열의 깊이를 측정하고, 균열의 추이를 예측하는 부식균열 예측식 등을 이용해 기기 건전성을 평가하고 정비 여부를 결정합니다.

이번에 개발한 인코넬690의 부식균열 예측 기술의 개발 배경은.

– 인코넬 재료는 니켈에 크롬, 철 등을 첨가해서 만드는 합금소재로, 600℃에서도 인장강도, 연신율 등 대부분의 특성이 변하지 않을 만큼 내열성이 뛰어나 원자력과 화력 발전설비, 원유 채굴장비 등 다양한 분야의 배관, 밸브 등에 사용되고 있습니다.

인코넬 재료 중 600 계열은 크롬 함량이 15% 정도 첨가된 합금으로서, 우리나라가 개발한 한국형 원전 OPR 1000 재료로 초기에 많이 사용되었습니다.

이후 내부식성을 개선하여 안전성을 강화하기 위해 600 계열보다 크롬 함량이 2배 높은 30% 정도 첨가되어 더욱 안전한 690 계열로 소재를 바꿨으며, OPR 1000을 개량해 신고리 3, 4호기에 적용하고 UAE에도 수출한 APR 1400에도 690 계열을 사용하고 있습니다.

인코넬690 재료는 600 계열에 비해 부식균열 저항성이 우수하지만, 부식균열의 추이를 예측하는 수식은 따로 개발하지 않아, 기존 600 계열의 예측식을 그대로 사용해왔습니다. 이 때문에 미국 등 각국에서는 경쟁적으로 690 계열에 맞는 예측식 개발을 서두르고 있던 참이었습니다.

인코넬690의 부식균열 예측원리가.

– 실증장비를 이용해서 다양한 원전 내부 환경 조건에서 인코넬 690 재료의 부식균열 속도를 측정하고 데이터베이스를 구축하였습니다. 원전 가동 조건을 고려하여 지난 5년 동안 총 45종의 재료-환경 변수 조합에서 가속 실험을 수행하였습니다.

데이터베이스로부터 각각의 변수가 인코넬 690의 부식균열 속도에 어떤 영향을 미치는지 분석하고, 실제 원전 가동 환경에서 부식균열 속도 예측식을 만들었습니다. 온도가 10℃ 더 올라가면, 부품에 걸리는 압력이 10기압 더 올라가면 부식균열 속도가 얼마나 빨라지는지 예측할 수 있는 것입니다.

최근에서야 이러한 예측식이 만들어진 이유 중에 하나는, 실제 원전에서 수십 년 동안 일어날 일을 미리 예측해야 하므로 실험 난이도가 매우 높다는 것입니다. 어떤 실험 조건은 약 3년 동안 실험해서 부식균열 속도 데이터를 얻은 적도 있습니다.

<자세한 내용은 월간 플랜트기술 10월호 참조>