입자형 핵연료에 응용되는 화학 기상 증착된 탄화규소 코팅층의 고온강도 평가

Abstract

핵연료 입자에 응용되는 화학기상 증착된 탄화규소 코팅층은 입자 전체의 기계적 강도를 유지하기 위한 목적으로 코팅된다. 상온에서 탄화규소 코팅층의 기계적 강도를 평가하기 위한 다양한 방법이 알려져 있지만 입자형 핵연료의 실제 작동온도인 약 1000도의 고온에서 파괴강도를 평가하는 기법은 잘 알려져 있지 않다. 먼저, 상온에서 탄화규소 코팅층의 파괴강도와 Weibull modulus를 평가하기 위해 내부 압력 인가법을 실시하였다. 흑연 기판위에 증착된 탄화규소 코팅층을 writing 공정과 열처리 과정을 통해 원형 형태의 시편을 제작한다. 실험에 앞서, 유한 요소법 해석을 실시하고 그 결과와 해석학적 모델 분석 결과를 이용하여 경험식을 유도한다. 경험식을 통해 탄화규소 코팅층의 파괴 강도를 측정하였다. 그리고, 미세 인장 기법을 이용하여 탄화규소 코팅층의 고온강도를 평가하였다. 서로 다른 증착온도에서 증착된 탄화규소 코팅층을 laser 가공과 열처리 공정을 통해 인장시편으로 제작하였고 700도까지 탄화규소 코팅층의 고온강도를 측정하였다. 코팅층의 특성평가 결과, 1300도에서 증착된 코팅층의 경우 작은 입자크기, isotropic한 단면, [111]의 우선방위성을 나타내었으며, 1350도에서 증착된 코팅층의 경우 큰 입자크기, columnar한 단면, [220]의 우선방위성을 나타내었다. Raman 분석 결과, 두 시편 모두 잔류하는 실리콘이 검출 되었으며, 이는 고온강도에 큰 영향을 주었다. 미세 인장 기법을 통해 측정된 탄화규소 코팅층의 고온강도 평가 결과로부터, 상온에서 낮은 파괴강도 값을 나타내었던 1300도에서 증착된 코팅층이 고온 환경에서는 더 높은 안정성을 가졌으며, 그때의 신뢰값 또한 더 높음을 알 수 있었다. 따라서, 탄화규소 코팅층의 고온 강도는 코팅층의 미세구조와 잔류하는 실리콘의 양에 관련이 있음을 알 수 있다.