1.1.1 부식의 원리 [원자력기사]

1.1 부식(Corrosion)의 원리

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원자력발전소는 열을 전달하고 중성자를 감속하기 위하여 물을 사용하고 있고, 많은 배관을 통하여 물이 이동한다.

따라서 원자력발전소에서는 각종 부식에 주의해야 하며, 수화학 처리를 통하여 발전소를 관리하고 있다.

원자력발전소가 아니더라고 일반적인 부식의 정의는 다음과 같다.

「주위 환경과 화학 반응으로 인하여 물질이 구성 원자로 분해되는 현상」

쉽게 말해, 금속의 부식은 표면에서 금속이 산소와 결합하여 산화되는 것을 의미한다.

금속이 산소와 결합되는 것을 억제하지 못하면 대부분의 금속은 부식때문에 파괴된다. 

철은 금속 부식의 대표적인 예이다.

철이 산화되어 녹을 형성하는 반응은 아래와 같이 산화 및 환원 반응으로 구성된다.

철의 산화 : Fe → Fe2+ + 2e-

산소의 환원 : O2+ 4H+ + 4e- → 2H2O

산화철 형성 : 4Fe2+ + O2 + 4H2O + 2xH2O → 2Fe2O3 · xH2O + 8H+

철의 부식 과정은 산소(O2)와 물(4H2O)이 필요하고, 수소 이온 농도 및 이온의 이동을 촉진하는 염의 존재 등에도 영향을 받는다.

철의 부식 과정에서 필요한 산소 및 물과 접촉을 차단하기 위하여 철 표면에 페인트 칠을 하여 부식을 방지할 수 있다.

또는 철 표면에 철보다 산화 경향이 작은 금속을 도금하여 철의 산화를 방지할 수도 있다.

예를 들어 주석을 도금한 양철은 통조림 캔에 사용되어 오랜시간 동안 부식을 방지한다.

그리고 철보다 반응성이 큰 금속을 활용하여 철의 부식을 방지하는 방법도 사용될 수 있다.

예를 들어 못에는 아연을 도금하여 부식을 방지한다.

특히 원자력발전소에서는 물과 직접적으로 닿아있는 핵연료 피복재, 원자로, 증기발생기 등은 부식에 주의해야 한다.

핵연료 피복재(Fuel Cladding)은 핵연료를 감싸고 핵연료가 냉각재와 직접 접했을때 일어나는 부식이나 기계적 침식을 방지하기 위하여 도금이 아닌 합금을 사용한다.

그림 1. 핵연료 다발

핵연료 피복재로 사용되는 물질을 선택하기 위하여 많은 조건이 있지만, 본 장의 주제인 부식과 연결된 냉각재에 대한 내식성을 고려하여 지르칼로(Zircaloy)이 합금이 사용된다.

가압경수로의 경우 Zircaloy-4가 주로 사용되며, 비등 경수로는 Zircaloy-2가 주로 사용된다.

예제 1 (2004년 원자력기사 기출)

니켈을 사용하지 않아서 물에 의한 부식에서 발생되는 수소의 흡수현상을 방지하고 소량의 산소를 첨가하여 기계적 특성을 증가시킨 경수로형 피복재 재질로 많이 사용하는 것은 무엇인가?

① Zircaloy-2

② Zircaloy-4

③ 스테인레스강

④ Van Arkel

정답) ②

경수로에서는 냉각재로서 물을 사용하기 때문에 물에 대한 내식성 관점에서 지르칼로이 합금이 사용된다.

스테인리스강은 고온강도와 내식성을 고려하여 초기에 가압경수로에 사용된 적은 있으나, 현재는 지르칼로이가 사용된다.

원자로형	핵연료	피복재
가압경수로  비등경수로	이산화우라늄(UO2)   이산화우라늄(UO2)	Zircaloy-4, ZIRLO, M5, MDA, NDA  Zircaloy-2
중수로	이상화우라늄(천연)	Zircaloy-4
고속로	(U,Pu)O2	오스테나이트 스테인리스강  페라이트 마르텐사이트 강

예제 2 (2015년 원자력기사 기출)

핵연료로 금속 우라늄 보다 UO2를 많이 쓰는 이유로 가장 거리가 먼 것은?

① 중성자 조사에 대해서 강하다.

② 열전도율이 좋다.

③ 융점이 높다.

④ 냉각재에 의해 부식되지 않는다.

정답) ②

금속 재료와 세라믹(도자기) 재료의 특성을 이해하면 풀 수 있는 문제이다.

금속 우라늄 보다 세라믹 우라늄이 중성자 조사에 강하며, 융점이 높다. 그리고 금속처럼 산화되어 부식되지 않는다.

그러나 열전도율은 금속 우라늄이 더 좋다.