KR100380127B1 - 고온수내의낮은부식전위를유지하기위한산화막전기전도도의조절 - Google Patents

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Abstract

수냉식 원자로의 금속 부품들의 표면 상의 일반적인 부식 및 균열 개시 및 성장을 완화시키는 방법이 개시된다. 지르코늄 또는 티타늄과 같은 비귀금속을 함유하는 화합물이 용액 또는 현탁액의 형태로 원자로의 물 속으로 주입된다. 이러한 화합물은 금속 부품 내에 형성된 어떤 균열들의 내부면들을 포함하여 금속 부품들의 표면에 합체되거나 표면 상에 도포되는 비귀금속의 이온/원자들을 방출하도록 원자로 열 조건하에서 분해된다. 양호한 화합물들은 지르코늄 아세틸아세톤염, 지르코늄 질화물 및 지르코닐 질화물과 같은 지르코늄 화합물들이다. 금속 부품들의 산화된 표면에 도포된 지르코늄은 표면에서의 금속화학적 전위를 입자간 응력 부식 균열을 방지하기 위해 임계 전위 보다 낮은 레벨로 감소시킨다.

Description

고온수 내의 낮은 부식 전위를 유지하기 위한 산화막 전기 전도도의 조절
발명의 분야
본 발명은 고온수(high-temperature water)에 노출되는 구성 요소들의 부식전위(corrosion potential)를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용된 용어 "고온수"는 약 150 ℃ 이상의 물, 증기 또는 그 응축물을 의미한다. 고온수는 물 탈기기(water deaerator), 원자로, 및 증기 구동 발전소와 같은 다양한 공지의 장치에서 찾아 볼 수 있다.
발명의 배경
원자로들은 발전, 연구 및 추진(propulsion)시에 사용된다. 원자로 압력 용기는 원자로 노심으로부터 열을 제거하는 원자로 냉각제, 즉, 물을 담고 있다. 각각의 배관 회로들은 가열된 물 또는 증기를 증기 발생기 또는 터빈으로 보내고, 순환수 또는 공급수를 원자로 압력 용기로 다시 되돌려 보낸다. 원자로 압력 용기의 작동 압력 및 온도는 비등수형 원자로(boiling water reactor(BWR))의 경우 약 7 ㎫ 및 288 ℃이고, 가압수형 원자로(pressurized water reactor(PWR))의 경우 약 15 ㎫ 및 320 ℃이다. BWR와 PWR 모두에 사용되는 재료는 다양한 부하, 주위 환경 및 방사선 조건들을 견뎌야 한다.
고온수에 노출된 재료들의 일부는 탄소강, 합금강, 스테인레스강과, 니켈계합금, 코발트계 및 지르코늄계 합금을 포함한다. 수형 원자로(water-reactor)에 사용하기 위한 이들 재료들의 조심스러운 선택 및 처리에도 불구하고, 고온수에 노출된 재료에 부식이 발생한다. 이러한 부식은 여러 가지 문제, 즉 응력 부식 균열, 틈새(crevice) 부식, 침식 부식(erosion corrosion), 압력 릴리이프 밸브들의 고착 및 감마선-방출 Co-60 동위 원소의 증가의 원인이 된다.
응력 부식 균열(stress corrosion cracking(SCC))은 고온수에 노출되는 구조부재, 배관, 체결구 및 용접부와 같은 원자로 구성 요소에서 발생하는 공지의 현상이다. 본 명세서에서 사용된 SCC는 균열부 선단부에서의 부식과 협동하여, 정적 및 동적 인장 응력에 의해 전파되는 균열을 말한다. 원자로 구성 요소는 예컨대, 열팽창 차이, 원자로 냉각수의 수용에 필요한 작동 압력, 및 용접, 냉간 가공 및 다른 불균형 금속 처리시의 잔류 응력과 같은 다른 원인들과 관련된 다양한 응력들을 받는다. 또한, 물의 화학적 성질, 용접, 틈새 기하학, 열처리 및 방사선은 SCC에 대한 구성 요소 내의 금속의 민감성(susceptibility)을 증가시킬 수 있다.
SCC는 원자로 물 내에 산소가 1 내지 5 pbb 이상의 농도로 존재할 때 빠른 속도로 발생하는 것으로 잘 알려져 있다. SCC는 산소, 과산화수소, 짧은 수명의 라디칼(short-lived radical)들과 같은 산화 종(species)들이 원자로 물의 방사선 분해로부터 발생되는 높은 방사 선속(radiation flux)에서 더욱 증가한다. 그러한 산화 종들은 금속의 전기화학적 부식 전위(electrochemical corrosion potential(ECP))를 증가시킨다. 전기화학적 부식은 금속 표면 상의 양극 지역으로부터 음극 지역으로의 전자의 흐름에 의해 발생된다. ECP는 발생하는 부식 현상들의 열역학적 경향의 측정치이고, 예컨대, SCC, 부식 피로, 부식 후막화 및 일반적인 부식의 속도를 결정할 때의 기본적인 변수이다.
BWR에서, 원자로 노심의 1차 물 냉각제의 방사선 분해는 화학적 산물(H2, H2O2, O2)과 산화기 및 환원기들에 대한 소량의 물의 순 분해를 발생시킨다. 안정상태 작동 조건의 경우, O2, H2O2, 및 H2의 평형 농도는 재순환되는 물 및 터빈으로 들어가는 증기 모두에서 설정된다. 이러한 농도의 O2, H2O2, 및 H2의 농도는 산화되어, 민감성 구조 재료들의 입자간 응력 부식 균열(intergranular stress corrosion cracking(IGSCC))을 증진시킬 수 있는 상태를 야기한다. 민감성 재료의 IGSCC를 완화시키기 위해 채택된 한 방법은 수소 물 화학 작용(hydrogen water chemistry(HWC))을 적용함으로써, BWR 주위의 산화 성질을 더 감소된 상태로 개선하는 것이다. 이러한 효과는 원자로 공급수에 용존 수소량을 첨가함으로써 달성된다. 수소가 원자로 용기에 도달할 때, 수소는 금속 표면 상에 방사선 분해적으로 형성된 산화 종들과 반응하여 물을 재형성함으로써, 금속 표면들 부근의 물의 용존산화 종의 농도를 낮춘다. 이들 재화합 반응의 속도는 국부적인 방사선 영역, 물 유동 속도 및 다른 변수들에 의존한다.
분사된 수소는 용존 산소량과 같은 물 내의 산화 종들의 레벨을 감소시키고, 결과적으로, 물 내의 금속들의 ECP를 낮춘다. 그러나, 물 유동 속도들의 변화 및 중성자 또는 감마 방사선에 대한 노출 시간 또는 세기의 변화와 같은 인자들은 다른 원자로에서 다른 레벨의 산화 종의 생성을 야기시킨다. 따라서, 고온수 내에서의 IGSCC로부터의 보호를 위해 필요한 임계 전위(critical potential)보다 낮게 ECP를 유지하기에 충분하도록 산화 종의 레벨을 감소시키기 위해서는 수소의 양들을 변화시킬 필요가 있었다. 본 명세서에 사용된 용어 "임계 전위"는 표준 수소 전극(standard hydrogen electrode(SHE)) 스케일에 기초한 약 -230 내지 -300 mV의 값들의 범위 또는 그보다 낮은 부식 전위를 의미한다. IGSCC는 ECP가 임계 전위보다 높은 시스템에서는 가속된 속도로 그리고 ECP가 임계 전위보다 낮은 시스템에서는 현저히 느린 속도로 진행한다. 산소와 같은 산화 종을 함유하는 물은 임계 전위보다 높은 물에 노출된 금속의 ECP를 증가시키는 반면에, 산화 종이 거의 없는 또는 전혀 없는 물은 임계 전위보다 낮은 ECP를 야기시킨다.
산화 종을 함유하는 원자로 물과 접촉하는 스테인레스강의 부식 전위는 공급수로의 수소의 주입에 의해 임계 전위 이하로 감소될 수 있다. 적절한 공급수 수소 첨가율을 위해, IGSCC를 방해하는 데 필요한 조건들이 원자로의 소정 위치들에 설정될 수 있다. 원자로 시스템의 다른 위치마다 다른 레벨의 수소 첨가를 필요로 한다. 원자로 노심의 높은 방사선속 내의 ECP를 감소시키기 위해서 또는 산화하는 양이온 불순물들, 예컨대 구리 이온이 존재하는 때, 훨씬 더 높은 수소 주입 레벨이 필요하다.
BWR에 사용되는 (Cr 18 내지 20 %, Ni 8 내지 10.5 % 및 Mn 2 %를 함유하는) 타입 304 스테인레스강의 IGSCC는 스테인레스강의 ECP를 -230 mV(SHE)보다 낮은 값으로 감소시킴으로써 완화될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 목적을 달성하는 효과적인 방법은 HWC를 사용하는 것이다. 그러나, ECP를 임계 전위보다 낮게 감소시키기 위해 필요할 수 있는 예컨대 약 200 ppb 이상의 높은 수소 첨가량은 증기 내에 수명이 짧은 N-16 종의 혼합으로부터 증기 구동 터빈 구간에 높은 방사선 레벨을 야기할 수 있다. 대부분의 BWR의 경우, 압력 용기 내부 부품들의 IGSCC를 완화시키는 데 필요한 수소 첨가량은 5 내지 8 배만큼 주 증기 라인 방사선 모니터에서 증가를 일으킨다. 주 증기 라인 방사선의 이러한 증가는 높은, 심지어 허용될 수 없는 환경 조사율(dose rate)을 야기할 수 있고, 이는 차폐 및 방사선 노출제어에 값비싼 투자를 필요로 할 수 있다. 따라서, 최근의 연구는 주 증기 방사선 조사율의 증가를 최소화하면서 HWC의 이익을 달성하기 위해 최소 레벨들의 수소를 사용하는 데 초점을 맞춰지고 있다.
이러한 목표를 달성하기 위한 효과적인 접근책은 팔라듐 또는 다른 귀금속으로 스테인레스강 표면을 피복 또는 합금화하는 것이다. 스테인레스강 표면 상에 팔라듐이 존재하면 -230 mV(SHE)이라는 소망의 IGSCC 임계 전위를 달성하기 위한 수소 요구량을 감소시킨다. 팔라듐 피복을 위해 지금까지 사용된 기술들은 전기 도금 기술, 무전해 도금 기술, 초고속 산소 연료(hyper-velocity oxy-fuel) 기술, 플라즈마 용착 기술, 및 관련 고진공 기술을 포함한다. 팔라듐 합금화는 표준 합금 제조 기술을 사용하여 수행되어 왔다. 이들 접근책들은 원자로가 가동 중인 동안에는 실시할 수 없는 현장 외부 실시(ex-situ) 기술이다. 또한, 플라즈마 분무기술 및 초고속 산소 연료에 의해 가해지는 것과 같은 귀금속 피복이 보호를 필요로 하는 모든 표면에 가해져야 한다. 즉, 피복되지 않은 인접 영역에는 아무런 보호도 제공하지 않는다.
타입 304 스테인레스강의 IGSCC 보호를 위해 가장 중요한 요건은 그 ECP를 보호 전위 즉, -230 mV(SHE)보다 낮은 값으로 낮추는 것이다. 이러한 전위를 얻는 방식은 예컨대, 합금화, 도핑 또는 기타 다른 방법 등에 의한다 해도 상관없다. 낮은 ECP 상태를 얻기 위해서는 적절한 재료(예컨대, Pd)로 산화막을 도핑시키는 것으로 충분하다는 것이 입증되었다. 최근의 연구에 의하면 이러한 낮은 전위의 이익을 부여하는 데는 약 200 내지 300 Å까지의 두께의 도핑 원소(Pd)로도 충분한 것으로 밝혀졌다. 이러한 사실은 ECP가 계면 특성이고 따라서 도핑과 같은 공정에 의해 계면을 수정하면 ECP가 변화되기 때문에 놀라운 일이 아니다. 임계 요건은 도핑 작용으로부터 최대의 이점을 얻기 위해 도핑제가 장시간 동안에 걸쳐 표면 상에 존재해야 한다는 것이다.
미국 특허 출원 제08/143,513호는 귀금속 화합물을 금속 표면과 접촉하는 고온수 속으로 주입시켜서 스테인레스강 또는 기타 다른 금속의 표면 상에 귀금속을 현장(in-situ)에서 적용시키는 혁신적인 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 귀금속으로 산화막을 도핑시키며, H2와 O2를 재화합시켜서 금속 표면의 ECP를 요구되는 보호 값으로까지 감소시키기에 충분한 촉매 작용을 제공한다. 이러한 귀금속 도핑 기술은 H2/O2몰비가 2보다 큰 환경에서의 스테인레스강의 균열의 개시 및 균열의 성장을 방지하는 데 있어 효과적인 것으로 밝혀졌다.
발명의 요약
본 발명은 스테인레스강 및 다른 금속에서의 균열 성장을 더디게 하거나 또는 없게 하는 낮은 ECP의 동일한 목적을 달성하기 위한 다른 도핑 방법에 관한 것이다. 이는 지르코늄 또는 티타늄과 같은 비 귀금속으로 IGSCC 민감성 금속 표면을 도핑 또는 피복시킴으로써 달성된다. 본 발명은 수소의 첨가가 없이도 금속 부식 전위를 음(-)의 방향으로 분극시킨다.
본 발명은 경수로형 원자로 내의 스테인레스강 및 다른 금속들로 이루어진 부품들의 표면 상에 자연적으로 형성되는 보호 산화물의 전기 전도도를 감소시키는데 기초를 두고 있다. 구조 재료 상의 비활성 산화막은 고온수 내에서 반도체성인 철, 니켈 및 크롬 산화물을 포함한다. 통상, 반도체성 거동을 변경하는 데 필요한 도핑 레벨은 낮다. 이러한 전기 전도도의 감소는 부식 전위가 (외측의) 산화물-물 계면 상이 아닌, (내측의) 금속 표면 상에 형성되게 한다. 금속 표면으로의 벌크용액(bulk solution) 내의 산화물의 불충분한 접근은 부식 전위를 특정 pH의 탈기된 물과 관련된 낮은 열역학적 한계로 하강시킨다. 그러한 산화물 성질의 변경은 수소 첨가가 없는 경우에도 SCC에 대한 아주 높은 정도의 저항을 제공한다.
구조 재료 표면 상의 비활성 산화막은 현장 실시 기술 또는 현장 외부 실시 기술을 사용하여 지르코늄 또는 다른 비귀금속으로 도핑 또는 피복될 수 있다. 이들 두 기술들에 따르면, 구조 재료는 비귀금속을 함유하는 화합물의 용액 또는 현탁액 내에 침지된다. 비귀금속은 그것에 합체되거나 그 위에 도금되는 스테인레스강 또는 다른 금속 표면의 내식성을 증가시키는 성질을 가져야 한다. 선택된 화합물은 스테인레스강 또는 다른 금속 표면들 상에 형성된 산화막에 합체되거나 산화막 상에 도금된 선택된 비귀금속의 이온/원자들을 방출하기 위한 원자로의 열 조건하에서 분해하는 성질을 가져야 한다. 본 발명에 따른 양호한 화합물은 지르코늄을 함유하는 화합물, 예컨대, 유기 금속 화합물인 지르코늄 아세틸아세톤염과 무기 화합물인 지르코늄 질산염 및 지르코닐 질산염이다.
현상 실시 기술의 경우, 원자로 물 내의 지르코늄의 농도는 100 ppb까지의 범위에 있는 것이 양호하다. 주입시에, 지르코늄 화합물은 물 속에 침지되는 스테인레스강 또는 다른 금속으로 만들어진 부품의 표면을 분해하거나 및 그 위에 지르코늄을 도금한다. 예컨대, 스테인레스강의 경우, 지르코늄은 지르코늄 화합물의 열분해 과정을 통해 스테인레스강 표면 상의 산화막 속으로 합체되는데, 여기서, 지르코늄 이온/원자들은 산화막 내의 철, 니켈 및/또는 크롬 원자를 확실히 대체하여, 지르코늄 도핑된 산화막을 형성한다. 산화막은 혼합된 니켈, 철 및/또는 크롬 산화물을 포함하게 된다. 다르게는, 지르코늄은 미세하게 분쇄된 금속 형태로 산화막의 표면 내에 표면 상에 도금될 수 있다. 도금 중에, 지르코늄은 스테인레스강 표면 상에 존재하는 균열 내부에 도금되게 된다. 지르코늄은 균열 입구 영역 주위 및 균열의 내부 속으로 도금된다. 이러한 도핑 기술은 스테인레스강 표면, 특히, 균열 내부면의 ECP를 감소시켜, 임계 한계 ECP 이하로 떨어뜨린다. 따라서, 이러한 접근책은 고온수 환경에서 수소가 존재하지 않는 경우에조차 스테인레스강 및 다른 금속에서의 균열 개시 및 균열 성장에 대항하는 데 효과적이다.
또한, 균열 내부로부터의 지르코늄의 급속한 고갈은 균열 입구가 높은 유체 유동 상태에 있는 경우에도 균열 입구 내측에서는 낮은 유체 유동을 겪기 때문에 균열 내부에서의 지르코늄의 급속한 고갈은 발생하지 않게 된다. 이는 높은 유체유동 조건하에서 상당한 표면 지르코늄 제거가 이루어지는 경우에도 여전히 균열의 완화가 성취될 수 있기 때문에 상당한 이점이 된다.
제1도는 종래의 BWR을 개략적으로 도시하는 부분 절개 사시도이다.
제2도는 수소 첨가가 없는 상태하의 8 ppm NaNO3에서 -800 mV(SHE)의 낮은 부식 전위를 나타내는 지르칼로이-2 및 지르칼로이-4에 대한 분극 곡선을 도시하는 도면이다.
제3도는 지르코늄이 산화막 속으로 합체된 것을 보여주는, 60 ℃에서 1 mM ZrO(NO3)2용액에 10일 동안 노출시킨 후의 타입 304 스테인레스강의 표면의 오우거 전자 분광 분석 깊이 프로필이다.
제4도는 타입 304 스테인레스강(●), 10일 동안 지르코닐 질산염 용액에 침지하여 지르코늄으로 도핑한 타입 304 스테인레스강(□), 20일 동안 지르코닐 질산염 용액에 침지하여 지르코늄으로 도핑한 타입 304 스테인레스강(△) 및 순수한 지르코늄(○)으로 각각 만들어진 전극들을 다양한 양의 산소를 함유하는 288 ℃(550 ℉)의 물 내에서 측정한 부식 전위 측정치들을 도시하는 그래프이다.
제5도는 48시간 동안 지르코늄 아세틸아세톤염에 침지하여 지르코늄으로 도핑한 타입 304 스테인레스강으로 만들어진 전극들을 다양한 양의 산소를 함유하는 288 ℃(550 ℉)의 물 내에서 측정한 부식 전위 측정치들을 도시하는 그래프이다.
양호한 실시예의 상세한 설명
제1도를 참조하여 비등수형 원자로 내에서의 유체 유동에 대해 일반적으로 설명한다. 급수는 급수 유입구(12) 및 원자로 압력 용기(RPV)(10) 안쪽으로 급수를 원주 방향으로 분산시키기에 적절한 구멍들을 구비하는 링형 파이프로 구성된 급수 다공 분산관(14)을 통하여 원자로 압력 용기(RPV)(10) 안으로 도입된다. 노심 분무 입구(11)는 물을 노심 분무 도관(13)을 거쳐서 노심 분무 다공 분산관(15)으로 공급한다. 급수 다공 분산관(14)으로부터 나온 급수는 RPV(10)와 노심 보호판(18) 사이의 원형 영역인 강수관 환형부(16)를 통하여 하향으로 유동한다. 노심 보호판(18)은 (제1도에서는 2개의 2×2 배열만 도시된) 다수의 연료 조립체(22)들을 포함하는 노심(20)을 둘러싸는 스테인레스강 실린더이다. 각각의 연료 조립체는 상부 안내 부재(19)에 의해 상부가 지지되고 노심 판(21)에 의해 하부가 지지된다. 강수관 환형부(16)를 통해 유동하는 물은 이어서 노심 하부 플리넘(24)으로 유동한다.
이어서, 물은 노심(20) 안에 배치된 연료 조립체(22) 안으로 들어가는데, 여기서 (도시되지 않은) 비등 경계층이 형성된다. 물과 증기의 혼합물이 보호판 헤드(28) 아래의 노심 상부 플리넘(26) 안으로 들어간다. 노심 상부 플리넘(26)은 노심(20)으로부터 나오는 증기-물 혼합물과, 보호판 헤드(28)의 정부에 배치되어 노심 상부 플리넘(26)과 유체 연통하는 수직 직립 파이프(30)로 들어가는 증기-물 혼합물 사이를 격리시킨다.
증기-물 혼합물은 직립 파이프(30)를 통해 유동하여 축류 원심 방식인 증기분리기(32) 안으로 들어간다. 그런 다음에, 분리된 액상의 물은 혼합 플리넘(33)내의 급수와 혼합되고, 이 혼합물은 강수관 환형부를 거쳐서 노심으로 복귀한다. 증기는 증기 건조기(34)를 통과하여 증기 돔(36)으로 들어간다. 상기 증기는 RPV로부터 증기 출구(38)를 통해 배출된다.
또한, 상기 BWR은 필요한 전력 밀도를 얻는 데 필요한 노심을 관통하는 강제대류를 제공하는 냉매 재순환 시스템을 포함한다. 물의 일부는 재순환 물 출구(43)를 거쳐서 강수관 환형부(16)의 하단부로부터 흡입되어 (도시되지 않은) 원심 재순환 펌프에 의해 재순환 물 유입구(45)를 거쳐서 (하나만이 도시된) 제트 펌프 조립체(42) 안으로 압송된다. 상기 BWR은 각각이 복수의 제트 펌프 조립체에 대해 추진 유동을 제공하는 2개의 재순환 펌프를 구비한다. 가압 추진되는 물은 인입 라이저(47), 엘보(48) 및 인입 혼합기(46)를 유동 순서대로 거쳐서 각각의 제트 펌프 노즐(44)로 공급된다. 통상의 BWR은 16 내지 24개의 인입 혼합기들을 구비한다.
본 발명은 BWR 내측의 스테인레스강 및 다른 금속의 표면(그 표면에 형성된 균열부의 내부를 포함)에 지르코늄, 티타늄 또는 다른 비귀금속을 피복 또는 도핑시키는 기술이다. 현장 실시 기술에 따르면, 이것은 작동 중지 기간 중에 또는 작동 중에 BWR의 고온수 안에 지르코늄, 티타늄 또는 다른 비귀금속을 함유하는 무기 또는 유기 금속 화합물을 주입시킴으로써 수행된다. 이제, 스테인레스강 표면을 지르코늄으로 도핑시키는 특정예를 참조하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 지르코늄 대신에 (니오브, 이트륨, 텅스텐, 바나듐, 티타늄 등과 같은) 다른 비귀금속을 사용할 수 있고, 스테인레스강이 아닌 합금(일례로, 니켈계 합금, 탄소강, 저 합금강 등)으로 제조된 구성 부품들의 표면을 본 발명의 방법을 사용하여 도핑시켜서 감소된 ECP를 얻을 수 있음을 알아야 한다.
양호하게는 상기 지르코늄 화합물은 급수 유입구(12, 제1도)의 상류 지점에서 주입된다. 높은 온도 및 원자로 노심 안에서의 감마선 및 중성자 방사선은 상기 화합물을 분해하고, 그에 따라 BWR 내의 산화된 스테인레스강 표면 상에 피복된 산화막 상에 부착되는 지르코늄 이온/원자들을 유리시키는 작용을 한다. 이러한 목적을 위해 사용될 수 있는 지르코늄 함유 화합물들의 그룹은 지르코닐 질산염[ZrO(NO3)2] 및 지르코늄 질산염[Zr(NO3)4]과 같은 질산염기를 함유하는 지르코늄 화합물이다. 사용 가능한 다른 Zr 함유 화합물은 지르코늄 아세틸아세톤염[ZrAc4]이다.
수소 첨가와 조합된 팔라듐 도핑은 IGSCC 균열을 완화시키는 데 효과인 것으로 알려져 있다. 팔라듐 도핑의 작용은 가동 중인 BWR과 같은 시스템에 존재하는 O2와 첨가된 H2의 아주 효율적인 재화합을 야기하므로, 국부적인 O2의 레벨이 상당히 감소된다. 벌크 유체가 훨씬 많은 O2함량을 가질 수 있음에도 불구하고, 실제로 금속 표면(예컨대, 타입 304 스테인레스강)에서의 O2는 훨씬 적다. 표면(즉, 계면)에서의 O2의 감량은 필요한 ECP의 변동을 가져오기에 충분하다. 보호 전위를 얻는데 요구되는 H2의 양은, 금속 표면이 팔라듐으로 도핑된 경우에도, 원자로 설비의 특정 성질에 따라 크게 달라진다. 일례로, BWR 4와 같은 고 전력 밀도(high-power-density) 설비의 경우, 필요한 수소가 비교적 적으므로 주 증기 라인의 방사선 레벨은 여전히 자연 방사선 레벨로 유지된다. 그러나, 강수관 영역에서의 H2와 O2의 재화합이 효과적이지 않은 BWR 3과 같은 저 전력 밀도(low-power-density) 설비의 경우, IGSCC 보호를 얻는 데는 더 많은 H2가 필요하다. 따라서, 팔라듐 도핑이 도움이 되기는 하지만, 그 이득은 고 전력 밀도 설비인 경우만큼은 되지 않는다. 따라서, 그러한 상황에서, 팔라듐 도핑에도 불구하고, 필요한 H2의 레벨은 주 증기 라인 방사선 레벨을 자연 방사선 레벨 이상이 되게 하기에 충분히 클 수 있다. 한편, 수소를 첨가하지 않고도 ECP의 레벨을 낮출 수 있는 원소가 존재하게 되면, 상기 주 증기관 방사선의 레벨을 증가시키는 문제가 발생하지 않기 때문에, 큰 이점이 된다. 이러한 맥락에서 팔라듐 도핑에 대체 가능한 것으로서, 특히, Zr-Nb 합금이 타입 304 스테인레스강 CERT 시편의 ECP를 낮추는 성질을 갖고 있다는 관찰에 근거하여, 지르코늄 도핑을 고려하게 되었다.
산화된 Zr-Nb 핀들을 이용하여 U자형 고리에 제위치에 지지된 타입 304 스테인레스강 CERT시편과, 타입 304 스테인레스강 전극 팁과, ZrO2(MgO) 세라믹 핀들을 이용하여 U자형 고리에 지지된 304 스테인레스강 CERT 시편에 대한 286 ℃(547 ℉)에서의 ECP 및 O2시험 데이터를 표 1에 비교하였다. 스테인레스강 시편은 모두가 시험 전에 사전 산화되었다.
표 1
타입 304 스테인레스강 시편으로 286 ℃(547 ℉)에서 일정 신장율 인장(CERT) 시험을 행하였다. 시편은 산화된 Zr-Nb 핀을 이용하여 표준 CERT 오토 클레이브의 U자형 고리(clevis)에 지지시켰다. 시험 중에, 스테인레스강 시편의 ECP는 연구에 사용된 산소 레벨(225 ppb의 O2)에서 기대한 것보다 더 음(-)의 값[-196 mV(SHE)]이라는 것을 발견했다. 사전에 산화된 타입 304 스테인레스강 전극팁은 동일한 오토클레이브에서 +60 mV(SHE)의 전위를 나타내었는데, 이 값은 고 산소 환경에서 사용될 때에 예상되는 것이다. 이러한 결과에 기초하여, Zr-Nb 핀 상에 형성된 산화막은 CERT 시험 중에 하중의 작용 하에 균열되어 지르코늄/니오브 금속을 노출시켜 타입 304 스테인레스강 시편에 접촉시킨다고 결론지었다. 이는 Zr-Nb 합금 재료의 음(-)의 전위가 혼합 전위가 지배적인 스테인레스강 시편에 설정되게 하였다. 따라서 타입 304 스테인레스강 CERT 시편은 225 ppb의 O2에서는 양(+)의 전위를 보이는 대신에 -196 mV(SHE)의 음(-)의 전위를 보였다. 이러한 관찰은 제2도에 도시된 바와 같이 지르칼로이-2 및 지르칼로이-4 역시 248 ppb의 O2, 8 ppm의 NaNO3존재하의 288 ℃(550 ℉)에서 -820 mV(SHE)의 매우 음(-)의 전위를 보이는 것과 일치한다.
제2도는 지르칼로이-2 및 지르칼로이-4가 H2첨가가 전혀 없는 상태 즉, 248 ppm O2의 산소 레벨만을 갖는 상태하의 8 ppm의 NaNO3및 289 ℃에서 약 -800 mV(SHE)까지의 낮은 부식 전위를 보이는 분극 곡선의 도면이다. 제2도는 금속 표면이 지르코늄 또는 그 합금들 중 한 합금에 의해 형성된 것과 같은 절연막과 결합되는 경우에는 H2를 전혀 사용하지 않고도 매우 낮은 ECP를 얻을 수 있다는 것을 나타내고 있다. 따라서, 기본적으로 ECP가 낮기 때문에, 타입 304 스테인레스강, 니켈 합금 및 다른 강과 같은 민감성 합금의 IGSCC는 이 합금의 표면을 지르코늄과 같은 금속 원소로 도핑하여 표면이 지르코늄 표면과 아주 유사한 거동을 하게 하여 결과적으로 ECP를 낮춤으로써 완화시킬 수 있다. 스테인레스강 표면의 지르코늄 도핑은 지르코늄 아세틸아세톤염, 지르코닐 질산염[ZrO(NO3)2] 및 지르코늄 질산염[Zr(NO3)4]와 같은 지르코늄 화합물을 사용함으로써 얻어진다. 유사한 절연 표면 또는 반도체 표면을 형성시키기 위해 사용될 수 있는 다른 도핑 재료로는 니오브, 이트륨, 텅스텐, 바나듐, 티타늄, 몰리브덴, 크롬 및 니켈을 포함한다.
따라서, 스테인레스강과 같은 금속이 지르코늄 함유 합금에 대해 저항 분기되는 경우, 스테인레스강의 전위는 상기 연구 과정에서 관찰된 바와 같이 음(-)의 방향으로 분극된다. 스테인레스강이 분극되는 정확한 전위는 지르코늄/스테인레스강의 면적비 및 특정 지르코늄 합금 자체의 전기화학적 활성도에 따라 달라진다. Zr-Nb 핀이 사실상 타입 304 스테인레스강 CERT 시편의 전위를 음의 방향으로 분극시킨다는 사실은 Zr-Nb 핀들을 세라믹[ZrO2(MgO)] 핀들로 교체하면 혼합 전위 영향이 배제되고 그 결과 예상했던 바와 같이 스테인레스강 CERT 시편에 대해서는 양의 전위[+9O mV(SHE)]가 되게 한다는 것으로부터 입증되었다.
이러한 관찰의 중요한 이점은 타입 304 스테인레스강을 지르코늄 또는 그 합금에 대해 분기(전기화학적으로 단락 범위)시키거나 또는 상기 스테인레스강 표면을 지르코늄 또는 그 합금으로 도핑시킴으로써 타입 304 스테인레스강에 대한 소정의 필요한 IGSCC 보호 전위를 얻을 수 있다는 점이다. 고온수 안에 지르코늄을 주입함으로써 BWR 내의 스테인레스강(또는 다른 금속) 요소에 지르코늄을 도핑시키면 수소 첨가 없이도 스테인레스강의 전위를 음의 방향으로 분극시킬 수 있게 된다. 이러한 것이 달성되면, 여러가지의 이점이 있게 된다. 우선, 주 증기 방사선 조사율은 수소가 전혀 사용되지 않기 때문에 자연 방사선 레벨로 유지된다. 둘째, 지르코늄 및 그 합금들이 연료 클래딩(cladding) 재료와 양립할 수 있으므로 지르코늄 도핑 중에 연료를 제거할 필요가 없게 된다. 마지막으로, 지르코늄의 가격은 팔라듐의 가격보다 훨씬 싸다.
본 발명에 따르면, 조업 중지 중에(원자로 내부의 수온이 약 40 내지 60 ℃일 때) 또는 가동 중에(원자로 내부의 수온이 약 288 ℃일 때) 현장 실시 지르코늄 도핑이 수행될 수 있다. 공급수 내에 지르코늄 화합물의 용액을 주입한 결과로서, 주입된 지르코늄을 운반하는 재순환수에 노출된 모든 구조적인 표면들이 도핑된다. 다르게는, 구조적인 원자로 부품들은 원자로에 설치되기 전에 현장 외부에서 처리될 수 있다.
타입 304 스테인레스강을 ZrO(NO3)2용액에 노출시키는 부식 전위에 대한 효과를 시험하기 위한 실험을 행하였다. 타입 304 스테인레스강의 시험 시편들(직경 1/8인치 × 길이 2인치)을 200 ppb의 산소를 함유하는 288 ℃의 물에서 1주일 동안 예비산화한 다음에, 60 ℃에서, 공기에 노출된 1 mM ZrO(NO3)2용액을 함유하는 초음파 조에 각각 10일 및 20일 동안 침지시켰다.
제3도는 60 ℃에서 1 mM ZrO(NO3)2용액에 10일 동안 노출시킨 후의 타입 304 스테인레스강의 표면의 오우거 전자 분광 분석 깊이 프로파일을 도시한다. 제3도의 데이터는 본 발명에 따른 처리의 결과로서 지르코늄이 산화막 속으로 합체된 것을 확인시켜 준다. 지르코늄은 300 Å(1분 동안의 스퍼터링 시간100Å)의 깊이로 산화막 속으로 합체되었다.
Zr 도핑된 타입 304 스테인레스강 시험 시편들뿐만 아니라 도핑되지 않은 순수한 지르코늄 시험 시편들의 부식 전위들도 다양한 양의 산소를 함유하는 288 ℃의 물에서 측정하였다. 모든 시험 시편은 288 ℃의 순수한 물에 2일 동안 노출되었으며, 산소의 증분식 첨가와 함께 부식 전위들을 순차적으로 측정하였다. 타입 304 스테인레스강(●), 1 mM ZrO(NO3)2용액으로 10일 동안 처리한 타입 304 스테인레스강(□), 20일 동안 처리한 타입 304 스테인레스강(△), 및 순수한 지르코늄(○)으로 각각 만들어진 전극들에 대한 실험 데이터들이 제4도에 도시되어 있다.
Zr 도핑된 타입 304 스테인레스강 시험 시편들은 동일 산소 레벨에서 도핑되지 않은 시편들보다 낮은 부식 전위를 보이는 것으로 관찰되었다. Zr 도핑된 스테인레스강 전극과 도핑되지 않은 스테인레스강 전극의 부식 전위의 이러한 차이는 지르코늄을 산화물 속으로 도핑함으로써 생긴 산화막의 전기 전도도의 변화에 기여할 수 있다. 대조적으로, 순수한 지르코늄의 부식 전위는 높은 산소 레벨에서도 약 -650 mV(SHE)였다. 제4도에서 알 수 있는 바와 같이, Zr 도핑된 타입 304 스테인레스강의 부식 전위는 도핑 처리의 기간이 10일에서 20일로 증가함에 따라 더 감소된다.
지르코늄 아세틸아세톤염 용액에 타입 304 스테인레스강을 노출시킨 경우 부식 전위에 미치는 영향을 시험하기 위한 다른 실험을 수행하였다. 타입 304 스테인레스강 시편을 고온수[288 ℃(550 ℉)]내의 지르코늄 아세틸아세톤염으로서 첨가된 100 ppb의 Zr로 48시간에 걸쳐 처리하였다.
40 ㎖의 에탄올에 지르코늄 아세틸아세톤염 분말 52.6 mg을 용해함으로써 예시적인 지르코늄 아세틸아세톤염 주입 용액을 제조하였다. 그 다음에, 에탄올 용액을 물로 희석시켰다. 희석 후에, 그 용액에 10 ㎖의 에탄올을 첨가하였다. 그 다음에, 이 용액을 물로 희석시켜, 1 리터의 체적으로 만들었다. 분명, 농도 범위는 변할 수 있다. 다르게는, 에탄올을 사용하지 않고, 물에 지르코늄 아세틸아세톤염 분말을 혼합함으로써 수성 현탁액을 형성할 수 있다.
에탄올/물 혼합물 내에 용해된 지르코늄 아세틸아세톤염 화합물을, [288 ℃(550 ℉에서)] 오토클레이브로 들어가는 용액이 약 100ppb까지의 Zr 농도를 갖는 속도로 주입 펌프를 사용하여 유동 루프 내의 주 펌프의 인입측으로 주입하였다.이러한 실험 결과들을 제5도에 도시하였다.
지르코늄 아세틸아세톤염으로 도핑한 후, 타입 304 스테인레스강 시편의 부식 전위를 288 ℃(550 ℉)의 고온수에서 시험하였다. Zr 도핑된 시편의 반응을 다른 산소 레벨에서 시험하였다. 제5도는 Zr 도핑된 시편의 ECP가 높은 산소 레벨의 존재시에 조차 처음부터 음의 값임을 보여 준다. 산소 함유량이 증가함에 따라, ECP가 감소되는데, 이는 도핑되지 않은 타입 304 스테인레스강에서 볼 수 있는 효과와는 반대이다. 이는, 부분적으로, 도포된 유기물에 의해 산소가 소비되어 스테인레스강 표면 주위에서 산소의 국부적인 감소가 발생하는 데 따른 것일 수 있다. 이는 수소가 존재하지 않을 때조차 산화막 상의 그리고 산화막 내의 지르코늄의 존재가 낮은 ECP를 제공하는 데 유익한 영향을 준다는 것을 나타낸다.
전술한 사실의 일 예로서, 288 ℃(550 ℉)에서 1주일 동안 8 ppm O2에서 사전 산화된 도핑되지 않은 타입 304 스테인레스강 시편의 ECP는 H2/O2의 몰비가 8.5로 증가된 때에도 단지 -39 mV(SHE)의 값으로 강하한다. 반면에, 지르코늄 아세틸아세톤염으로 도핑된 타입 304 스테이레스 강 시편은 어떠한 수소도 없이 338 ppb의 용존 산소 농도에서 -87 mV(SHE)의 음의 전위를 보인다. 따라서, 스테인레스강 표면의 지르코늄 도핑은, ECP가 원자로에서 사용되는 스테인레스강 및 다른 합금들의 SCC를 제어하는 주 인자이기 때문에, 시편의 ECP를 감소시켜서 스테인레스강에서의 균열 발생 및 성장을 제어하는 데 극히 유익하다.
전술한 방법은 설명을 위해 개시된 것이다. 개시된 방법의 수정 및 변경은금속 및 합금들 내의 응력 부식 균열을 완화시키는 기술 분야에서 숙련된 사람들에 의해 쉽게 이루어질 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 유용한 상술한 비귀금속은 단독으로 또는 화합물로 하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 도핑 기술은 스테인레스강 표면에 사용되는 것으로 제한되지 않고, IGSCC에 민감한 다른 금속, 예컨대 니켈계 합금, 탄소강 및 저합금강들의 ECP를 감소시키는 데에도 응용가능하다. 다른 응용 기술은 다른 위치에서의 원자로 내에 걸린 바스켓 내의 압축된 펠릿으로서의 금속 화합물을 갖는 것과, 금속 도핑이 발생할 때까지 펌프 열로 원자로를 가동시키는 것을 포함한다. 다른 접근책은 IGSCC에 높은 민감성을 갖는 지역들로 화합물을 국부적으로 주입하는 것이다. 그러한 모든 수정 및 변경들을 첨부한 특허 청구의 범위에 포함시키고자 한다.

Claims (20)

  1. 수냉식 원자로 또는 이와 관련된 설비에 사용 중인 금속 부품의 표면에서 균열을 완화시키도록 금속 부품을 처리하는 방법이며,
    상기 금속 부품의 상기 표면 상에 산화막을 형성하는 단계와,
    지르코늄, 니오브, 이트륨, 텅스텐, 바나듐, 티타늄, 몰리브덴, 크롬 및 니켈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 비귀금속의 이온/원자들로 상기 산화막을 도핑시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도핑 단계는 지르코늄 함유 화합물의 용액 내에 상기 산화막을 침지시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지르코늄 함유 화합물은 지르코늄 아세틸아세톤염인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 지르코늄 함유 화합물은 지르코늄 질산염인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 지르코늄 함유 화합물은 지르코닐 질산염인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 도핑 단계는 원자로의 조업 중지 중에 원자로의 물이 재순환되고 있는 동안 원자로의 물 속으로 상기 비귀금속을 함유하는 열적으로 분해가능한 화합물 용액을 주입함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 도핑 단계는 상기 원자로의 정상 가동 중에 상기 원자로의 물 속으로 상기 비귀금속을 함유하는 열적으로 분해가능한 화합물 용액을 주입함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 금속 부품은 스테인레스강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속 부품은 스테인레스강, 니켈계 합금, 탄소강 및 저합금강으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 산화막은 상기 금속 부품 표면 상에 또는 상기 금속 부품 표면에 형성된 균열 내부의 전기화학적 전위를 입자간 응력 부식 균열을 방지하는 데 필요한 임계 전위보다 낮은 레벨로 감소시키기에 충분한 도핑 레벨로 상기 비귀금속으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 산화된 표면을 갖고 있는 금속 부품 내의 일반적인 부식 및 균열의 개시 또는 전파를 완화시키는 방법이며,
    비귀금속을 함유하는 화합물의 용액 또는 현탁액에 상기 금속 부품을 침지시키는 단계를 구비하고,
    상기 비귀금속 화합물은 상기 산화된 표면에 합체되거나 상기 산화된 표면상에 도포되는 비귀금속 이온/원자들을 방출하도록 열적으로 분해되는 성질을 갖고 있고, 상기 비귀금속은 지르코늄, 니오브, 이트륨, 텅스텐, 바나듐, 티타늄, 몰리브덴, 크롬 및 니켈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 비귀금속은 지르코늄인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 비귀금속 함유 화합물은 지르코늄 아세틸아세톤염인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 비귀금속 함유 화합물은 지르코늄 질산염인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 비귀금속 함유 화합물은 지르코닐 질산염인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 침지 단계는 원자로의 조업 중지 중에 원자로의 물이 재순환되고 있는 동안 원자로의 물 속으로 상기 비귀금속을 함유하는 열적으로 분해가능한 화합물 용액을 주입함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 침지 단계는 상기 원자로의 정상 가동 중에 상기 원자로의 물 속으로 상기 비귀금속을 함유하는 열적으로 분해가능한 화합물 용액을 주입함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 금속 부품은 스테인레스강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 금속 부품은 스테인레스강, 니켈계 합금, 탄소강 및 저합금강으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기 산화된 표면은 금속 부품 표면 상에 또는 상기 금속 부품 표면에 형성된 균열 내부의 전기화학적 전위를 상기 금속 부품이 수냉식 원자로 내에 설치될 때 입자간 응력 부식 균열을 방지하는 데 필요한 임계 전위보다 낮은 레벨로 감소시키기에 충분한 도핑 레벨로 상기 비귀금속으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
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