다중금속층 복합구조 핵연료 피복관 모관의 열간 등방압 가압법 공정 중 균열 발생원인 분석 (Analysis of Cracking during Hot Isostatic Pressing of a Multi-metallic Layered Composite Nuclear Fuel Cladding Mother Tube)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 A / 45권 / 12호 / 1057 ~ 1065페이지
· 저자명 : 바이바오성, 문준호, Michael P. Short, 반치범

초록

본 연구에서 다중금속층 복합구조 핵연료 피복관 모관 제작을 위해 열간 등방압 가압법을 적용하였다. 이후 모관의 최외곽층을 구성하는 Fe12Cr2Si 합금 용접층 표면에서 균열이 발견되었다. 균열 발생의 원인을 분석하기 위하여 Fe12Cr2Si 합금 용접층에 대한 미세조직 관찰, 균열에 대한 파면 관찰, 인장시험 및 모관 제작 과정을 모사하는 유한요소해석이 수행되었다. 용접층 내 입계에서 Si 농축이나 결함은 발견되지 않았다. 일축 인장시험 결과 연성을 충분히 확보하고 있었으나, 발견된 균열 파면은 연성파괴 특성이 없이 편편한 파면을 보였다. 유한요소해석 결과, 열간 등방압 가압법 공정 중 고온에서 상온으로 냉각하는 과정에서 최외곽층인 Fe12Cr2Si 층에 다축응력이 인가되었다. 따라서 냉각 과정 중 재료층 간 열팽창 계수 차이로 인해 발생한 다축응력이 파괴 변형률을 낮추면서 최외곽층에서 shear fracture를 유발한 것으로 판단된다.

영어초록

Hot isostatic pressing (HIP) was applied to manufacture a multi-metallic layered composite mother tube for accident-tolerant nuclear fuel cladding. After the application, surface cracking was observed on the outermost layer, consisting of Fe12Cr2Si alloy weld. To analyze the root cause, microstructural analysis and uniaxial tension testing with Fe12Cr2Si alloy weld were conducted. Finite element analysis (FEA) was performed to simulate the HIP process, as well as fractography on the fracture surface. No Si segregation was found nor were any defects observed at grain boundaries. Although the sufficient ductility of the Fe12Cr2Si weld was confirmed by the uniaxial tensile testing, flat surfaces without ductile features were revealed by the fractography on the crack. The FEA revealed that a multiaxial stress state was applied on the Fe12Cr2Si layer during cooling. Therefore, it is most likely that the shear fracture on the surface of Fe12Cr2Si layer was caused by the stress triaxiality owing to the difference in thermal expansion coefficients.

참고자료

· 없음