용융염원자로 적용을 위한 Ni기 초내열합금의 고온용융염부식

Corrosion of Nickel-based Superalloys in High-temperature Molten Salts for Applications in Molten Salt Reactors

소형모듈원자로(SMR, Small Modular Reactor)는 주요 기기물 하나의 용기 안에 배치한 300MW급 원자력 발전소로서 기후변화에 대용하면서 저가에 전력을 공급할 수 있는 청정에너지 발전 방식으로 2012년부터 국내에서 연구가 활발히 진행되었지만 2017년 탈원전 정책으로 인해 연구가 점차 축소되어 현재 일본, 프랑스, 미국, 인도 동에 비해 관련 기술이 현저히 부족하여 차세대원자력 기술에 대한 연구 및 기술개발이 시급한 상황이다. 소형모듈원전 가운데 하나인 용융염원자로(MSR, Molten Salt Reactor)는 핵연료 물질 (Th, U, Pu 등)을 불소(F) 또는 염소(Cl) 화합물에 용해시킨 할로겐염 용융염계(연구개발 중인 용융염: LiF-BeF2(FLiBe), NaF-BeF₂, NaF-LiF- BeF₂, LiF-NaF-KF (FLiNaK), LiCI-KCl-MgClz 등)를 핵연료 및 냉각재로 동시에 활용하는 형태로 후쿠시마 원전사고와 같은 폭발의 위험성과 노심용융을 일으키는 냉각재 상실사고를 원천적으로 배제할 수 있으며, 사고 위험이 감지되면 원자로 안의 핵연료가 저절로 굳어 방사능물질 유출 사고물 미연에 방지할 수 있다. 또한 가동 중 생기는 핵분열생성물질올 분리 추출할 수 있어 사용후핵연료를 줄일 수 있으며 낮은 압력으로 운전하여 경제적이지만, 국내 보유 기술이 미약하다. 용융염의 온도는 녹는점보다 높아야 하고 부식이 가속화되는 온도보다는 낮은 상태를 유지해야하기 때문에 온도에 대한 의존도가 높고, 물보다 강한 부식성을 가져 고온 용융염에 의한 금속 배관(파이프) 동의 열화(Degradation) 및 부식 (Corrosion) 이 쉽게 발생될 수 있어 재료의 수명과 가동온도에 큰 영향을 미친다. 용융염은 금속 또는 합금과 반용하여 금속/합금 표면에 MFx, MaOb 또는 MOaFb, MaClb 동의 고체 염화물 형성⮕ 용융⮕산화피 막과의 반응⮕비보호성화 ⮕부식의 단계로 진행되어 고온 장기간 운전 시 우수한 고온 내열특성을 가진 재료가 절실히 요구되지만 아직까지 이에 대한 연구는 부족한 실정에 있다. 특히 고온용융염 부식 진행과정과 기구는 산화/황화부식 둥에 비해 복잡하며, 재료와 용융염의 종류, 온도에 따라 다양한 형태로 나타나 부식특성 평가 및 부식기구 규명이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 용융염 분위기에서 용융염원자로 장치 적용 가능성이 있는 구조재료 후보군인 Ni기 초내열합금에 대한 부식거동 연구를 위해 LiF, NaF, KF의 용융염 분위기에서 500-700°C 의 온도로 10~100시간 동안 부식 시험하여 부식 특성을 조사하고자 하였다.