M20502005601

설계기 사고 시 기기환경 성능검증 기술개발

Technology Development of Environmental Qualification in DBA of Nuclear Equipment

한국기계연구원

과 학 기 술 부

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제 출 문

과학기술부 장 귀하

본 보고서를 “ 설계기 사고 시 기기환경 성능검증 기술개발”과제의 보고서로 제출합니다.

2007. 7. 20.

주 연구기 명 : 한국기계연구원

주 연구책임자 : 송 치 성

연 구 원 : 박 창

〃 : 박 상 진

〃 : 이 공 훈

〃 : 이 성 수

〃 : 임 병 주

〃 : 김 섭

〃 : 노 희 범

〃 : 박 경 원

〃 : 노 양 호

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보고서 록

과제 리번호 M20502005601해당단계

연구기간2005.3.1~2007.2.28 단계 구분 (1) / (1)

연구사업명 사 업 명 원자력연구개발사업

세부사업명 원자력연구개발 장기계획사업

연구과제명 과 제 명 과제가 있을 경우에는 기재 (단 과제일 경우에는 아래 기재)

세부과제명 설계기 사고 시 기기환경 성능검증 기술개발

연구책임자 송 치 성

해당단계

참여연구원

수

총 : 10 명

내부 : 6 명

외부 : 4 명

해당단계

연구비

정부: 270,000천원

기업: 천원

계: 270,000천원

연구기 명

소속부서명

한국기계연구원

원자력산업기기사업단참여기업명

국제공동연구 상 국명 : 상 국연구기 명 :

탁 연 구 연구기 명 : 연구책임자 :

요약(연구결과를 심으로 개조식 500자이내)보고서

면수 66

- 설계기 사고 시험설비의 앙제어시스템 자동화 구축 무인화 운용 능력 확보

- 시험챔버내의 온도, 압력 ,화학살수 조건 모니터링 제어기술 개발

- TGA, DMA, UTM법을 이용한 열 분석기법 확립 실험

- 분석 로그램 작성 운 소 트 웨어 개발

- TGA, DMA, UTM에 한 시험 차서

- 국내 폴리머 재료의 활성화에 지 도출 비교평가

- 시험시편의 특성 분석

- 비 괴 노화진단 설비 구축

- 압입시험을 통한 인덴터 법을 이용한 노화분석 기술 개발

- 음 법을 이용한 음속측정을 통한 시험시편의 노화진단 분석 기술 개발

- 인덴터 법과 음 진단법의 시험 차서 작성

색 인 어

(각 5개 이상)

한 설계기 사고, 기기검증, 열 량분석시험, 동 기계분석시험, 비 괴법, 음 법

어 DBA, EQ, TGA, DMA, UTM, NDT, Ultrasonic wave, Indenter

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요 약 문

Ⅰ. 제 목 : 설계기 사고 시 기기환경 성능검증 기술개발

Ⅱ. 연구개발의 목 필요성

가. 기술 측면

국내에서 기기검증(Equipment Qualification, EQ)이 본격 으로 시작된 지는 략 6-7년

에 불과하지만, 검증시험설비는 밸 와 펌 등의 성능검증 시험설비 일부를 제외하고

기기검증과 련된 시설은 부분 갖추고 있다. 그러나 EQ에 한 실제 경험이 고

반 인 EQ 체계 한 구축되어 있지 않은 상태에서 소수의 기술인력에 의해 수행되고

있다. 한 내환경시험 실제로 시험용 챔버에서 온도, 압력, 화학물질살수 등의 시험

이력곡선(Profile)을 추종하면서 사고상황을 시뮬 이션해야 하는 설계기 사고시험과 모

터 밸 의 EQ 시험기술은 국외에서 노출하기를 꺼려 시험기술이 아직 개발되어 있

지 않고, 시험 업무가 어려운 상태이다. 특히 DBA(LOCA, HELB, MSLB)와 같은 사고

환경에서의 내환경시험 내용은 발 소 운 허가 과정 외국의 제작업체가 국내 발

사업자에게 제출한 내환경시험 서류들로서, 간단한 내환경검증 차와 결과만 명시되어

실제 시험수행에 따른 방법, 고려사항 자세한 핵심 수행내용은 무하다. 따라서 원

기기 내환경검증에서 필요한 설계기 사고 시험기술과 EQ 기술의 확보를 통하여, 보다 안

한 원 의 운 과 안정 인 력공 을 하여 체계 인 연구를 추진할 필요가 있다.

나. 경제․산업 측면

국내에는 재까지 안 등 설비에서 요구하는 밸 /모터의 설계기 사고 시험 기

기검증을 한 기술이 개발되어 있지 않다. 따라서 국내에서 자체 개발된 우수한 국산기

기 조차도 외국의 기기검증 내환경시험 기 으로 보내어 기기검증을 수행하고 있다.

이러한 이유로 시작품제작과 운송에 한 비용 그리고 외국시험기 의 고비용이 제품개

발의 추가 비용을 발생 하여 국내 제작사의 가격 경쟁력을 약화시킴은 물론 납기 지

연 등 원 건설공정에도 많은 문제 을 발생시켜 원 안 성 련 기자재 국산화의 장

애요인으로 작용하고 있는 실정이다.

본 과제를 통하여 확보한 기술을 활용하여 국내에서 생산한 원 기기를 국내에서 직

기기검증을 수행하게 되면 개발, 생산, 기기검증이 신속하게 이루어져 외국기업에 하

여 경쟁력을 가지게 되며 아울러 국내에서 기기검증을 수행할 경우 렴한 시험비용으

로 가격 경쟁력을 확보할 수 있다. 한 재 기기검증이 상되는 원 기기에 해 설

계기 사고 설비를 추가하고 보완하며 련된 기술을 연구개발 할 경우, 련 기술을 업

체에 이 하여 제품 개발에서부터 기기검증까지 기술 인 지원이 가능해지며 원 기기

의 국산화를 이룩할 수 있다. 아울러 비 속 재질에 한 열 노화 시험을 통한 국내 원

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산업 장에서 사용하는 비 속재질( 이블)류에 한 신뢰성을 확보할 수 있다.

다. 사회 측면

국내에서 발생된 안 성 문제를 해결할 수 있게 됨에 따라 원자력과 련된 사회 인

인식을 향상시킬 수 있으며 국내 원 의 건설 운 에 있어서 발생할 수 있는 모든

문제 을 해결하여 기술 인 면에서 뿐만 아니라 정책 ․문화 인 면에서 국제 지

를 향상시킬 수 있다. 한 외국에서 요구하고 있는 안 성 련 문제를 외국의 기술에

의지하지 않고 국내에서 자발 으로 연구 개발하여 해결함에 따라 국제 으로 기술 인

자립을 이룩 할 수 있어서 국가 인 자 심을 고취할 수 있다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 범

구 분 연구개발목표 연구개발 내용 범

제1차년도

(2005)

설계기 사고 앙제어시스템

운용

TGA, DMA, 기오 에 의

한 열 노화 특성 비교

1. 설계기 사고 앙제어시스템 운용

설비운 자동화 연동시스템 운용

온도/압력 Profile 모니터링 제어

2. TGA, DMA, 기오 에 의한 비 속재료의 열

노화 특성 비교

TGA, DMA, 기오 을 이용한 열 노화시

험 수행 비교분석

분석 Program 제작

시험 분석 차서 작성

국내 폴리머재료에 한 활성화에 지

도출

제2차년도

(2006)

비 괴시험(NDT)방법에 의한

열 노화 특성 비교

비 괴시험(NDT)방법에 의한 열 노화 특성 비교

기오 을 이용한 열화 시험 수행 연신

율 측정방법

NDT방법에 의한 특성 비교

시험 차서 작성

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Ⅳ. 연구개발결과

설계기 사고 시 기기환경 성능검증 기술개발 과제를 통하여 얻은 연구개발 결과를 정리하면 다음

과 같다.

1. 설비운 자동화 연동시스템 운용능력 확보

설계기 사고의 환경조건을 모사할 수 있도록 갖춰진 설비(보일러, superheater, 밸 , 펌 ,

chemical spray)를 제어하기 해 PLC(Programmable Logic Controller)와 컴퓨터 로그래

을 이용하는 앙제어시스템을 구축하고 운용기술을 확보하 다.

2. 온도/압력 profile 모니터링 제어

시험챔버 내부의 압력과 온도를 실시간으로 모니터링 하고 제어할 수 있는, 컴퓨터 로그램과

연동하는 기술을 확립하 다.

3. TGA, DMA, 기오 을 이용한 열 노화시험 수행 비교분석

TGA, DMA, UTM법을 이용하여 노화된 비 속재료의 활성화에 지를 도출하 다.

4. 분석 program 제작

열수명 시험, 열 량분석 시험, 동 기계분석 시험 결과에 한 분석 비교평가를 한 분석

로그램을 제작하 다.

5. 시험 분석 차서 작성

국내외 산업규격을 분석하여 UTM, DMA, TGA에 한 시험 차서를 작성하 다. 시험

차와 분석은 주로 ASTM 규정을 따르도록 하 으며 시험성 서와 함께 공인된 문서로 활

용할 수 있도록 작성하 다

6. 국내 폴리머재료에 한 활성화에 지 도출

본 연구에서 폴리머재료에 한 활성화에 지 도출을 해 선정된 원자력폴리머 재료는 수

지류 Nylon, PBT(Poly-Butylene Telephtalate), PP(Poly-Propylene), PTFE(Poly-Tetra

Fluoro-Ethylene), PVC(Poly-Vinyl Chloride), POM(Poly Oxy-Methylene), PET

(Poly-Ethylene-Telephtalate), TPE(Thermo-Plastic Elastomer polyester)의 8종과 고무류

SIR(Silicon Rubber), EPR(Ethylene Propylene Rubber), NBR (Acrylonitrile Butadiene

Rubber)의 3종에 한 활성화 에 지를 도출하 다.

7. 시험시편 특성 분석 시험장비 설치

시험 이블의 노화분석을 하여 음속측정기와 경도 측정을 한 시험 장비를 구축하고

시험시편의 경도, 단시 연신율, 열화정도에 따른 시편의 SEM 특성 등을 분석하 다

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8. 인덴터를 이용한 노화분석 기법 확립

단시 연신율 측정과 같은 시험의 경우 이블의 열화상태를 평가하기 하여 이블을

축 방향으로 개한 후 시험 시편을 별도로 만들어 인장시험을 해야 하는 괴 인 방법이

다. 비 괴 방법의 일종으로 압입시험에 의한 이블 노화상태를 평가하는 방법이 인덴터

를 이용한 노화분석기법이다. 인덴터는 시편 표면에 가해진 힘과 시편표면의 변화거리를 변

수로 하여 경화상태를 진단하므로 손쉽게 장에 용할 수 있는 장 이 있다. 본 연구에서

는 비 괴 노화분석 방법의 하나인 인덴터 법을 이용하여 노화분석을 실시하 다. 이를

통하여 시험 이블의 노화정도와 압입깊이에 한 계를 정량 , 정성 으로 규명하 으며

인덴터법의 신뢰성 확보를 한 방안을 모색하 다.

9. 음속측정기를 이용한 노화분석 기술

음 법에 의한 열화도 평가는 이블을 통과한 음 의 음 특성을 분석하여 이블의

열화정도와의 상 계를 얻는 방법이다. 본 연구에서는 노화년수가 증가할 수록 음 의

속도 역시 선형 으로 증가하고 있음을 확인하 으며 음 를 이용한 노화정도를 평

가할 수 있었다.

10. 시험 차서 작성

국내외 산업규격을 분석하여 인덴터를 이용한 시험방법과 음속측정기를 이용한 시험방법에

한 시험 차서를 작성하 다. 시험 차와 분석은 주로 ASTM 규정을 따르도록 하 으며

시험성 서와 함께 공인된 문서로 활용할 수 있도록 작성하 다.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

가. 기술 측면

- 국내에서 자체 으로 원 기기 검증을 수행할 수 있는 기술 인 기반을 확립

- 원 기기 련 기술의 외국 의존도를 탈피

- 비 괴 노화진단 기술 등 개발된 기술은 원자력 발 소 장 원 기기 생산업체에 이

되어 제품개발 발 소 정비 기술 향상에 기여하게 되어 국제 경쟁력 확보

- 국내 원 에서 발생되는 안 련 문제를 자체 으로 해결할 수 있는 기술력을 확보

나. 경제 측면

- 국내 원 기기 생산업체들이 기기검증을 해외에 의뢰하지 않고 국내에서 수행함에 따라 시

험료의 형태로 지출되는 외화를 감할 수 있음

- 지 까지 국내 원 기기 생산업체들이 지출했던 과도한 기기 검증 시험료가 어들어 제품

생산비의 감효과를 가져오게 됨

- 이에 따라 안 성이 확보되고 제품경쟁력이 있는 원 기기가 국내업체에서 생산됨에 따라

국내 원 기기의 국산화 비율이 높아지게 됨

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- 외국제품을 사용하지 않고 국내제품을 사용함에 따라 수입 체효과를 가져옴

- 기술력의 향상에 따라 동남아시아 국에 기기검증을 수출할 수 있게 됨

- 연구개발을 통해 축 된 기술을 국내 생산업체에 이 하여 신제품 개발과 기술개발에 지원

을 할 수 있게 됨

다. 사회 인 측면

- 원자력 련한 안 성 문제를 자체 해결함에 따라 원자력 발 소의 정 인 사회 인 인지

도를 확보

- 기기검증 련한 기술자립을 이루어 국제 인 지 향상

라. 활용방안

- 앙제어시스템을 효율 으로 운 하여 설계기 사고 시험을 안 하고 신뢰성 있게 수행, 국

외 발 소의 온도/압력 Profile을 용하여 동남아시장까지의 수출을 가능하게 함

- 기존의 UTM법에 의한 열화특성을 TGA, DMA법에 의한 시험과 비교하여 검토함으로 해서

활성화에 지 측정을 비롯한 열화특성 분석을 효율 이고 신뢰성 있게 수행

- 국내의 원 기기 생산업체의 재료에 해 열화특성을 자료화하는 계기를 마련하여 외국

Database에 의존하지 않고 자체 실험결과에 의해 기기 검증 수행 가능

- 원 용 cable 등 비 속 재료의 비 괴 노화 진단 기술을 상용화 시키기 한 제품개발

- 보유기술의 검증 신뢰도 향상을 통하여 장 용

- 열 노화 특성을 NDT 방법에 의한 결과와 비교하여 계속운 에 한 기 자료를 제공할 수

있으며 차후에 Condition Monitoring의 자료로 활용

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S U M M A R Y

Ⅰ. Project Title : Technology Development of Environmental Qualification in DBA of Nuclear

Equipment

Ⅱ. Objective and Necessity of Project

Performance test facilities ralating to EQ(Equipment Qualification)test has been almost

constructed except those of valves and pumps though the time has only passed about 6~7

years since EQ test launch of Korea. However EQ test has been performed by a few of

engineers under the conditions that experience of EQ test is insufficient and EQ system is

not developed completely. It is difficult to acquire technique of EQ test for motors &

valves and LOCA test which should be simulated accident condition such as temperature,

pressure and chemical spray, due to beng reluctant to publicize them outside. EQ test

reports are environmental test papers provided by foreign corporation to domestic operator

on certification process for NPP(nuclear power plant), but the reports contain only test

results, not methods, test procedure, consideration lists and important principles relating to

real test. Therefore, it is necessary to performance systematically research to acquire EQ

technology for nuclear equipment.

Ⅲ. Contents of Project

1. First year

Operation of DBE Cental control system

Thermal anging test analysis technology using TGA, DMA, UTM

2. Second year

Thermal aging analysis technology using NDT

Ⅳ. Results of Project

Technology development of System Atomation and central control system

Development of Temperature/Pressure profile monitering technology

Technology development of thermal aging test using TGA, DMA, UTM method

Technology development of Analysis program of TGA, DMA, UTM

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Test procedure development for environmenal qualification and performance test

Activation energy measurement and property analysis of domestic polymers

Installation of EQ test facility and analysis of test specimens

Development of Non-destructive method using indenter

Technology development of aging analysis using ultrasonic wave

Ⅴ. Application of R&D Results

Reliability improvement of EQ test technology through refinement of test facilities and

performance cost of EQ test from industry

Progress to specialized organization of EQ test for almost all the NPP equipment

Performance of technology consultation for industrial company by systematizing law &

regulation and certificated test procedures\

Equipment supplement to NPP by performing EQ for commercial product

Application to continuous operation of old NPPs using EQ experience and know-how

and training EQ specialist

Application to performance test and evaluatio technique to localize I&C system

Application to life assessment of materials using activation energy

EQ technology export to south-east Asia EQ field by acquiring international

certifications such as KOLAS(Korea Laboratory Accreditation Scheme)

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C O N T E N T S

Chapter 1. Introduction ·········································································································16

Section 1. Objection of project ························································································16

Section 2. Annul object and contents of project ························································18

Chapter 2. State of the art ··································································································20

Section 1. Domestic status ·······························································································20

Section 2. Foreign status ··································································································20

Chapter 3. Research contents and results ········································································23

Section 1. Operation of Central control system of DBE ··········································23

1. Atomation of test facilities ······················································································23

2. Condition monitoring technology for Temperature/pressure profile ········24

Section 2. Thermal aging test of non metallic materials ·········································26

1. Thermal aging test using UTM, TGA, DMA ····················································26

A. Technology development of non metallic materials life test ····················26

(1) Thermal Life Test ····························································································26

(2) TGA, Thermo-Gravimetric Analysis ····························································26

(3) DMA, Dynamic Mechanical Analysis ·························································26

B. Thermal Life Test using elogation method ····················································27

C. Thermal Gravimetric Analysis ···········································································28

D. Dynamic Mechanical Analysis ··········································································30

2. Analysis program ····································································································33

A. Thermal Life Test ·································································································33

B. Thermo-Gravimetric Analysis ·············································································33

C. Dynamic Mechanical Analysis ···········································································34

3. Test Procedures ··········································································································35

4. Activation energy for Domestic polymers ··························································35

A. Examples of EPR ································································································35

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(1) General results ··································································································35

(2) Results of thermal life test ············································································35

(3) Results of Thermal Gravimetric Analysis ··················································37

(4) Results of Dynamic Mechanical Analysis ·················································38

B. Thermal aging test results of domestic polymers ········································39

(1) thermal life test ································································································39

5. LOCA Experiments of non metallic materials) ·················································40

A. Experimental methods and procedures ··························································40

B. Method for modifying profile ···········································································41

C. Mechanical Property Test ···················································································42

D. Thermo-Gravimetric Analysis ············································································43

E. Dynamic Mechanical Analysis ···········································································43

F. Results of experimental ·······················································································44

Section 3. Test Facilities and specimens analysis ······················································46

1. SEM analysis of specimen cables ··········································································46

2. Elongation test of specimen cables ·······································································47

Section 4. Degradation analysis using NDT method ················································49

1. Introduction of NDT ·································································································49

A. Dadiographic test ··································································································49

B. Magnetic Particle test ···························································································49

C. Penetrant Examination test ·················································································49

D. Eddy Current Test ·······························································································49

(1) Definition of eddy current ············································································50

(2) Principles of Eddy current test ····································································50

E. lackage test ·············································································································50

F. Indenter test ············································································································50

G. Ultrasonic test ········································································································50

(1) degration test of specimen ············································································50

H. Aacoustic emission test) ·····················································································51

I. IRT ·····························································································································51

J. Visual test ················································································································51

2. Degradation test using indenter method ····························································52

3. Degradation test using ultrasonic wave ······························································54

- 12 -

Section 5. Test Procedures ·······························································································58

Chapter 4. Achievement contribution of research goal ················································59

Section 1. Achievement of project ·················································································59

1. First year ······················································································································59

2. Second year ·················································································································60

Section 2. Contribution to relating industry ·······························································60

Chapter 5. Application plan of project output ······························································61

Chapter 6. Information about foreign science technology ···········································62

Chapter 7. References ············································································································64

Appendix ··································································································································66

- 13 -

목 차

제 1 장 연구개발과제의 개요 ······························································································16

제 1 연구개발의 목 필요성 ··············································································16

제 2 연구개발의 목표 추진 략 ··········································································18

제 2 장 국내외 기술개발 황 ····························································································20

제 1 국내 기술개발 황 ····························································································20

제 2 국외 기술개발 황 ····························································································20

제 3 장 연구개발수행 내용 결과 ··················································································23

제 1 설계기 사고 앙제어시스템 운용 ································································23

1. 설비운 자동화 연동시스템 운용 ···································································23

2. 온도/압력 Profile 모니터링 제어 ·····································································24

제 2 UTM, TGA, DMA에 의한 비 속재료의 열 노화 특성 비교 ················26

1. UTM, TGA, DMA를 이용한 열 노화시험 수행 비교분석 ·······················26

가. 비 속재료의 수명평가기술개발 ·······································································26

(1) 열수명 시험 (Thermal Life Test) ··································································26

(2) 열 량분석 시험(TGA, Thermo-Gravimetric Analysis) ···························26

(3) 동 기계분석 시험(DMA, Dynamic Mechanical Analysis) ····················26

나. 연신율을 이용한 열수명 시험 ···········································································27

다. 열 량 분석 시험(Thermal Gravimetric Analysis) ·······································28

라. 동 기계분석시험(Dynamic Mechanical Analysis) ·······································30

2. 분석 program 제작 ····································································································33

가. 열수명 시험 (Thermal Life Test) ·····································································33

나. 열 량분석 시험(Thermo-Gravimetric Analysis) ···········································33

다. 동 기계분석 시험(Dynamic Mechanical Analysis) ·····································34

3. 시험 분석 차서 작성 ·······················································································35

4. 국내 폴리머재료에 한 활성화에 지 도출 ·······················································35

가. 가속 노화시험 결과 (EPR 결과의 ) ·····························································35

- 14 -

(1) 일반 인 성질 ····································································································35

(2) 열수명 시험(thermal life test) 결과 ·····························································35

(3) 열 량분석 시험(Thermal Gravimetric Analysis) 결과 ···························37

(4) 동 기계분석시험(Dynamic Mechanical Analysis) 결과 ·························38

나. 국내 폴리머재료의 열가속 노화 시험 평가 결과 ·········································39

(1) 열수명 시험(thermal life test) ·······································································39

5. 비 속 재료의 설계기 사고(LOCA) 실험 ···························································40

가. 실험방법 차 ·································································································40

나. Method for modifying profile ··········································································41

다. 기계 성능시험(Mechanical Property Test) ·················································42

라. 열 량 분석 시험(Thermo-Gravimetric Analysis) ·········································43

마. 동 기계분석시험(Dynamic Mechanical Analysis) ·······································43

바. 실험결과의 종합 ···································································································44

제 3 시험시편 특성 분석 시험장비 설치 ··························································46

1. 시편의 SEM 분석 ·······································································································46

2. 시편의 단시 연신율 시험 ·····················································································47

제 4 비 괴 검사법을 이용한 노화분석 ··································································49

1. 비 괴 검사법의 개요 ·······························································································49

가. 방사선 투과검사 ···································································································49

나. 자분탐상검사 ·········································································································49

다. 침투탐상검사 ·········································································································49

라. 와 류 탐상검사 ···································································································49

(1) 와 류(eddy current)란 ···················································································50

(2) 와 류탐상검사 원리 ························································································50

마. 설검사 ·················································································································50

바. 압입 시험법 ···········································································································50

사. 음 진단법 ·······································································································50

(1) 음 음속 계측에 의한 노화진단 ······························································50

아. 음향 방사 탐상검사(acoustic emission testing) ·············································51

자. 외선 화상 탐상검사 ·························································································51

차. 육안검사 ·················································································································51

2. 인덴터를 이용한 노화분석 ·······················································································52

3. 음속측정기를 이용한 노화분석 ···············································································54

- 15 -

제 5 시험 차서 작성 ····································································································58

제 4 장 목표달성도 련분야에의 기여도 ··································································59

제 1 연구개발의 목표 달성도 ····················································································59

1. 1차년도 : 설계기 사고 앙제어 시스템 운용 ··················································59

2. 2차년도 : 비 괴 시험에 의한 열 노화 특성 비교 ····································60

제 2 련분야에의 기여도 ··························································································60

제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ······················································································61

제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ····················································62

제 7 장 참고문헌 ····················································································································64

부록( 차서 모음) ···················································································································66

- 16 -

제 1 장 연구개발과제의 개요

제 1 연구개발의 목 필요성

지 까지 국내에서 원 기기의 기기검증이 이루어지지 못한 것은 LOCA, MSLB, HELB 등의 설

계기 사고 시험을 수행할 기 이 없었기 때문에 모든 기기검증 업무를 외국기 에 탁해 왔다.

내환경 검증에서 요구되는 열 노화, 방사선 노화, 진동노화, 내진시험 등은 이미 국내에서 수

행할 수 있는 능력이 되었으나, LOCA시험 등의 설계기 사고 시험을 수행할 수 없어서 외국

시험기 에 국내에서도 가능한 시험까지 모두 포함하여 외국에 의뢰하고 있는 실정이다. 더구

나 외국의 시험기 은 시험결과를 국내 업체에 제 로 달해주지 못하고 있어서 시험을 통해

습득할 수 있는 생산기술력을 확보하지 못하게 되는 악순환이 되풀이 되고 있다.

국내에서 뛰어난 기술력으로 렴하게 생산한 원 기기 일지라도 외국의 검증기 에 비싼

시험료를 주고 기기검증을 받게 됨에 따라 제품 개발 생산비에 기기검증비가 차지하는 비

율이 커서 가격경쟁력에서 떨어지게 되어 이에 따라 국내에서 충분히 국산화할 수 있는 제품

일지라도 렴한 외국의 제품에 경쟁력을 잃게 되어 국내 원 의 기기들이 외국제품으로 구성

되게 되어 기술 독립을 이룩하지 못하고 있다. 이에 한 해결책으로 재 한국기계연구원에

LOCA 성능검증 체계를 구축사업을 통해 련 설비를 갖추어서, (주)두산 공업의 항온도계

(RTD), (주)우진의 원 노내 성자검출기(ICI)에 해 기기 검증을 수행한 경험이 있으며 그

결과 국내 원 에서 필요로 하는 원 기기를 국내에서 직 생산할 수 있는 기술력을 확보할

수 있게 되었다. 한 외국 의존의 원 기기 안 성 문제를 국내에서 독립 으로 해결하고 국

내 생산업체의 생산기술력 향상에 따라 원 기기의 국산화를 이룩할 수 있는 기반을 마련하

다.

재, 기기검증은 경험이 고 극소수의 문기술인력에 의해 수행되고 있다. 내환경시험 실

제로 시험용 챔버에서 온도, 압력, 화학물질살수 등의 시험이력곡선(Profile)을 추종하는 사고

상황을 산모사를 해야하는 LOCA시험과 원 용 이블 국내 폴리머재료에 한 시험기

술은 국외에서 노출하기를 꺼려 기술 확보가 되어 있지 않은 상태이다. 기기검증이나 내환경시

험(LOCA시험)은 시험 차서와 시험설비만 가지고는 수행할 수 없으며, 요건을 충족하기 해

기기 설치 치에 한 환경 사고해석 검토, 이에 따른 차서 시험내용 반 , 내환경시험

(LOCA시험) 비를 한 비작업 과정, 시험 시 발생되는 오류에 한 해석, 시험 인력의 수

장비 리상태에 따라 동일한 차를 가지고도 다른 결과가 나올 수 있다. 즉, 시험 차

서에 나와 있는 시험들의 “Physical Meaning”을 알지 못하면 시험 발생되는 사소한 문제에

도 하게 처하지 못해 정확한 검증이 이루어 질 수 없다.

내환경시험 기술내용을 개발하는데 있어서 LOCA, HELB, MSLB와 같은 사고환경에서의 내환

경시험 내용은 발 소 운 허가 과정 외국의 제작업체가 국내 발 사업자에게 제출한 내환

경시험 서류들로서, 간단한 내환경시험 차와 결과만 명시되어 실제 시험수행에 따른 고려사항

- 17 -

자세한 핵심 수행내용은 무한 실정이다.

경제·산업 측면을 검토하면, 이 과제를 성공 으로 수행할 경우 국내에서 생산한 원 기기

를 국내에서 직 기기검증을 함에 따라 개발, 생산, 기기검증이 신속하게 이루어져 외국기업

에 하여 경쟁력을 가지게 되며 국내에서 기기검증을 수행할 경우 시험비용이 렴하게 들어

서 가격 경쟁력을 확보할 수 있다. 그리고 외국으로 유출되는 외화를 방지할 뿐만 아니라 도리

어 동남아시아와 국 등의 원 기기에 해 기기검증을 수행해서 외화를 벌어들이는 효과를

얻을 수 있으며 국내의 생산업체에게 기기검증 련 기술이 완 히 이 되어 기술력이 크게

향상되어 원 기기 국산화가 이루어질 수 있게 될 것이다.

재 기기검증이 상되는 원 기기에 해 LOCA 설비를 추가하고 보완하며 련된 기술을

연구개발 할 경우, 련 기술을 업체에 이 하여 제품 개발에서부터 기기검증까지 기술 인 지

원을 할 수 있게 되며, 비 속 재질에 한 열 노화 시험을 통한 국내 원 산업 장에서

사용하는 비 속재질( 이블)류에 한 신뢰성을 확보를 할 수 있다. 이에 따라 국제 인 경쟁

력을 가진 원 기기의 생산이 가능해 질 것이다.

사회·문화 측면을 고려할 경우, 국내의 발생된 안 성 문제를 국내에서 해결할 수 있게 됨에

따라 원 련된 사회 인 인식을 향상시킬 수 있으며 국내원 의 건설 운 에 있어서 발

생할 수 있는 모든 문제 을 해결하여 기술 인 면에서 뿐만 아니라 사회·문화 인 면에서 국

제 지 를 향상시킬 수 있다. 외국에서 요구하고 있는 안 성 련 문제를 외국기술에 의지하

지 않고 국내에서 자발 으로 연구 개발하여 해결함에 따라 국제 으로 기술 인 자립을 이룩

할 수 있는 기틀을 마련할 수 있다.

- 18 -

제 2 연구개발의 목표 추진 략

1. 연구개발의 목표

본 연구개발의 최종목표는 원자력 발 소 설계기 사고 시험을 한 열 노화상태 시험기

술 개발이며 연차별 목표는 다음과 같다.

- 1차년도 : 설계기 사고 앙제어 시스템 운용

세부연구목표가 치

(%)

설비운 자동화 연동시스템 운용 20

온도/압력 Profile 모니터링 제어 20

TGA, DMA, 기오 을 이용한 열 노화시험 수행 비교분석 20

분석 Program 제작 10

시험 분석 차서 작성 10

국내 폴리머재료에 한 활성화에 지 도출 20

- 2차년도 : 비 괴 시험에 의한 열 노화 특성 비교

세부연구목표가 치

(%)

시험시편 특성 분석 시험장비 설치 20

인덴터를 이용한 노화분석 30

음속측정기를 이용한 노화분석 30

시험 차서작성 20

2. 추진 략

원 기기 성능검증 자체가 타기 과 연계가 되어 있는 업무이므로 긴 한 조가 필요함

KHNP, KAPRI, KAERI, KINS, AECL, Wyle Lab, 학 국내원 기기 제작업체 등 타

기 과의 조를 통해 다음의 정보 교류를 수행함

기기검증 규정의 국제 인 추이

문가 확보를 통한 기술교류

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제작업체의 애로기술 해결

설계기 사고 산모사 CODE 용기술 교류

향후 국내 원 기기 검증의 방향 연구개발 요구사항

설계기 사고 모사 설비(보일러, 슈퍼히터, 시험챔버, 화학살수)의 앙제어시스템 운용

개선

기존에 구입한 열분석 기기(TGA, DMA, 기오 , UTM)를 이용하여 열 노화시험을

수행함

설계기 사고 분석Code를 구입, 용, 해석하여 기기의 치에 따른 산 모사를 통해

온도, 압력, 방사선 특성을 도출

LOCA 시설 운용에 따라 추후 추가 으로 발생하는 직 경비는 민간·산업체 수탁연구과

제와 연계하여 충당할 정임

LOCA 시험평가 과정에서 비 속재질의 수명·열화에 한 시험이 동시에 수행되어야하

기 때문에 다양한 방법으로 수명 측을 할 수 있는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 기

계연구원이 보유하고 있는 연구장비와 시설을 운용할 정이며 직 경비는 신규구매보다

는 시설장비운용에 주로 활용할 계획임

- 20 -

제 2 장 국내외 기술개발 황

제 1 국내 기술개발 황

국내에는 원 기기의 기기검증을 해 한국기계연구원( /창원), 산업기술시험원, 한국

원자력연구소, 한국표 과학연구원, 새한산업주식회사 등이 기기검증 분야를 분담하여 수

행하고 있다.

한국기계연구원이 국내에서 유일하게 설계기 사고 시험설비를 구축하여 RTD (의뢰처:

두산 공업), ICI (의뢰처: 우진), 원 용 도장재 (의뢰처: 한국도장기술인 회) 등의 설계

기 사고시험을 수행하 다. 그러나 그러나 아직까지 선진국과 비교하여 낙후되어 설계

기 사고 시 기기환경 성능검증에 한 기술의 개발이 필요한 상황이다.

한, 속재료에 한 비 괴검사법은 많은 발 이 있어 장에서 용하고 있으나 비

속재료에 한 노화진단법은 외국의 기술에 크게 의존하고 있는 실정이다.

비 괴 노화진단 기술의 개발 시도는 한국원자력연구소, 한 력연구원 등에서 수행

한 경험이 있으나 개발된 기술의 소성과 일부 재료에만 국한 으로 용가능하고, 무

엇보다도 개발된 기술의 신뢰성을 보장하기 어려운 상태이다.

국내의 경우 비 속재료의 수명평가에 요한 재료의 활성화에 지의 확보는 매우 어려

운 상태이고, 측정에도 많은 시간과 비용이 소요된다. 한 모든 재료에 합한 측정법도

개발되어 있지 않고 재료별 계측방법의 신뢰성과 불확실성으로 인하여 체계화 되어 있지

않아서 수명평가에 장애로 작용하고 있다.

제 2 국외 기술개발 황

미국과 캐나다 등의 선진국의 경우, 설계기 사고시험을 포함하여 원 기기의 기기검증

을 한 시험 설비, 기술, 인력, 축 된 데이터베이스 등을 갖추고 이를 자체 으로 발

시키고 있으며, 한국 등 원자력 후발국의 원 에 한 1회 내환경검증 수행료로 수십만

불의 기술료를 받고 있다. 기반기술의 발 으로 련기기는 고효율, 고신뢰도를 요

구받게 됨에 따라, 련 기기에 한 설계기 사고시험 밸 /모터의 기기검증 기술이

상당한 수 으로 발 되고 있다.

미국에는 다수의 유명한 기기검증 문회사들이 EQ시험 설비를 갖추고 고객의 수요에

응하고 있다. 특히 Wyle Lab., Trentec, National Technical Systems(NTS), GLS Nuclear

Logistics Incorporation(NLI), Southwest Research Institute(SRI)등은 이미 국내에 그 이

름이 알려져 있다.

이 Wyle Lab.의 Huntsville 본사는 직원이 약 200명이고 매출은 약 1억불/년 정도이

다. Wyle Lab.에서 수행하는 90% 이상의 원 사업은 Huntsville에서 수행하고 있다.

Wyle는 미국내 기기검증 시장의 약 50%를 하고 있으며, 한국 업체로부터 다수의 기기

검증 업무를 수탁하여 수행하고 있다. 설계기 사고 시험을 수행하기 한 챔버 5개

(5′diameter×6′long, 3′diameter×3′high, 2.5′diameter×10′long, 4′diameter×4′

- 21 -

high, 8′diameter×12′high)를 보유하고 있으며, 밸 에 해서는 steam set point/leak

testing, nitrogen leak testing, steam/water blowdown testing등의 시험을 수행하고 있

다.

캐나다 AECL사는 캐나다 정부가 운 하는 국 기업이다. 우리나라의 월성원자력발 소

를 설계하여 시공한 경험이 있고 재는 차세 원자로를 개발 에 있다. 설계기 사고

시험을 수행하기 한 챔버는 소형(6″diameter×6′long)과 형(96″diameter×120″

long) 1개씩을 보유하고 있다.

국과 터키와 같은 후발개도국도 원자력발 소를 보유하고 있으며, 련 기기의 성능검

증을 국외 기 에 의뢰하고 있다. 더욱이, 2-3년 내에 국의 진산발 소가 수명연장과

련하여 안 성 련기기의 성능검증이 필요한 상황이다.

재 한국기계연구원(KIMM)과 미국의 Wyle Lab.의 원 기기 검증 로그램의 내용

수행 능력을 비교하면 아래 표와 같이 LOCA/MSLB Test와 각각 개별 인 기기의

Functional Test 련 장비의 보유를 제외하고는 동등함을 알 수 있다.

Services WyleLab.

KIMM

재 비고

Aging Analysis :(e.q. Arrhenius Methodology for Thermal Aging

○ ○

Accelerated Thermal Aging ○ ○

Irradiation(Maximum Dose Rate < 1M rad/hr) ○ ○ KAERI

Functional Test(e.q. Stroking of Valves, operation of motors, Current andVoltage Tests)

○ ◇

Humidity Testing ○ ○

Immersion Testing ○ ○

LOCA/MSLB Testing ○ ◇

EMI/RFI Testing ○ ○ KRISS, KTL

Seismic Testing ○ ○

Final Qualification Reports ○ ○

표. 2-1 원 기기검증 로그램 내용 수행 능력의 비교(○ : 등, ◇ : 미흡)

- 22 -

이 외에 문서화 하지 못하는 많은 경험을 고려하면 재 외국 기기검증 기 에 비해 90％

수 으로 단되어진다. 이 기술 차이를 극복하기 해서는 다음과 같은 활동이 요구된다.

국제 인 추세에 맞추어 지속 인 연구개발 수행

기술 경험을 축 하기 해 재 상되는 수요에 해 기기검증을 수행하면서

련 LOCA 설비를 추가 보완

다양한 원 기기에 한 개별 인 연구활동을 수행하여 시험계획서를 작성해야 함

- 23 -

그림 3-1 PLC

제 3 장 연구개발수행 내용 결과

제 1 설계기 사고 앙제어시스템 운용

1. 설비운 자동화 연동시스템 운용

설계기 사고의 환경조건을 모사할 수 있도록 갖춰진 설비(보일러, superheater, 밸 , 펌 ,

chemical spray)를 제어하기 해 PLC(Programmable Logic Controller)와 컴퓨터 로그래

을 이용하는 앙제어시스템을 구축 후 운용하 다. PLC는 디지털 는 아날로그 입출력 모듈

을 통하여 logic, sequence, timing, counting, 연산과 같은 특수한 기능을 수행하기 하여

로그램 가능한 메모리를 사용하고 여러 종류의 기계나 로세서를 제어하는 디지털 동작의

차 장치를 말한다(그림 3-1). PLC는 입출력모듈을 통해 온도, 압력 등의 환경변수 값을 류

는 압의 형태로 주고받으며, 국내 LS산 의 소 트웨어인 GMWIN 4.0을 이용해 로그램

을 작성한 뒤 PLC에 업로드 시키면 PLC의 CPU에 의해 이러한 신호를 자동으로 제어하게 된

다. 사용자가 모니터링하고 제어할 수 있도록 소 트웨어 Labview를 이용하여 실시간으로

PLC의 환경변수신호를 교환하며 수동으로 조 할 수 있게 하 다(그림 3-2). 를 들어 밸 의

경우 환경변수(온도, 압력)의 신호를 PLC에서 읽어들인 뒤 GMWIN에서 설정한 계산 함수를

통해 환경조건에 합하도록 밸 의 궤도를 조 하여 유량을 제어할 수 있다.

그림 3-2 앙제어시스템의 구조

- 24 -

2. 온도/압력 Profile 모니터링 제어

시험챔버 내부의 압력과 온도를 비롯한 모든 환경변수는 실시간으로 PLC와 연동된

Autobase 로그램에서 모니터링 할 수 있다(그림 3-3). 외부 정 시 로그램이 다운됨을 고

려하여 Chamber 외부에 별도의 온도/압력 센서를 설치하여 압, 류, 2선식 항측정, 4선

식 항측정이 모두 가능한 HP Agilent로 데이터를 취득하는 방식으로 모니터링 기능을 제어

기와 독립시켰다(그림 3-4). Control panel 앙부에 비상스 치를 설치하여 운 기치 않

은 사고가 발생 시 시스템 체를 즉각 멈출 수 있게 하여 실험자의 안 을 최우선 고려하

다. 환경변수의 정확한 측정을 해 설계기 사고 시험을 한 모든 측정장비와 센서들은 한국

기계연구원 창원 분원에서 검․교정을 받았다.

PLC의 신호를 이용하여 환경변수를 실제 인 물리량으로 바꾸는 것은 Autobase 로그램을

통해 이루어진다. 모든 측정은 실시간으로 이루어지는 동시에 하드디스크에 Microsoft Access

일로 장된다. 그림 3-5는 IEEE 323에서 제안하는 온도/압력 profile을 PLC에 입력한 뒤 1

일간 자동으로 설비를 제어한 결과 일을 그래 로 나타낸 것이다.

그림 3-3 Labview 제어 로그램

- 25 -

그림 3-5 LOCA 온도, 압력 실험

그림 3-4. HP 데이터 수집장치

- 26 -

제 2 UTM, TGA, DMA에 의한 비 속재료의 열 노화 특성 비교

1. UTM, TGA, DMA를 이용한 열 노화시험 수행 비교분석

가. 비 속재료의 수명평가기술개발

비 속 재료내의 노화 상에 한 재료의 미세구조 특성 구체 노화시험평가 방

법론에 한 자료를 수집 후 조사분석하여 실험 방법을 정립하 다. 이 연구를 수행하기

해 산업 규격과 산업체의 례를 상당 부분 참조 반 하 다. 이 연구를 통해 정립된

시험 평가 방법론에 따라 국내 폴리머 재료에 해 아래의 세 가지 실험을 직 수행하고

활성화 에 지(activation energy)를 도출하 다. 그리고 이 결과를 입수 가능한 Wyle Lab.

등 국제 검증 기 에서 이미 발표된 자료와의 비교 분석하 다.

(1) 열수명 시험 (Thermal Life Test)

인장 실험을 통한 연신율(elongation) 하 측정을 통해 열 노화를 평가하 다. 목표

최 연신율 하값은 재료의 열화정도에 따라 다르게 용될 수 있으나 산업계의

례에 따라 50～60% 하를 최종 목표치로 하 다.

(2) 열 량분석 시험(TGA, Thermo-Gravimetric Analysis)

TGA 장치를 이용하여 온도의 증가에 따른 질량의 감소 혹은 증가의 정도를 나타내는

열분해 곡선을 이용하여 열 노화를 평가하 다.

(3) 동 기계분석 시험(DMA, Dynamic Mechanical Analysis)

DMA 장치는 재료의 기계 성질을 분석하기 한 동 기계분석기기로서, 열 노화에

따른 주 수와 기계 모듈러스를 측정하여 열 노화를 평가하 다.

열노화 평가 시 온도는 발 소의 정상 인 운 조건 하에서의 최 운 온도를 기 으

로 하고, 시간은 발 소의 설계수명(통상40년)에 설계기 사고기간(통상 1년)을 포함한 기

간을 기 으로 한다. 해당 기기나 부품의 정상운 시 기기 내부나 부품자체에서 발생되

는 열로 인해 주 온도가 상승할 경우에는, 상기 기 온도에 해당 온도 상승치를 추가하

여 용한다. 온화한 환경(mild environment)에 치하는 기기 부품의 경우에는

Arrhenius 방정식에 의해 계산된 열수명이 발 소의 설계수명(설계기 사고기간 포함)의

3배 이상인 경우 열노화 향이 없는 것으로 정한다. 그리고 가혹한 환경(harsh

environment)에 치하는 기기 부품은 10,000년 이상의 열수명을 갖는 경우에는 열노

화 향이 없는 것으로 정한다. 일반 으로 내환경검증에 용되는 여유도는 IEEE

323-1983 KEPIC END 1100에 규정된 기 을 따른다. 여유도는 기본 으로 설계기 사

고를 모의하기 한 목 으로 사용되기 때문에, 열 열화검증 시에 용할 필요는 없다.

그러나 열 열화검증 시험결과의 충분한 보수성을 확보하기 하여, 상기기나 부품의

정상운 온도를 최 온도조건으로 용한다.

- 27 -

나. 연신율을 이용한 열수명 시험

열 노화의 과정을 잘 설명할 수 있는 모델로는 아 니우스(Arrhenius) 방정식이 가장 많이

활용된다.

r = A․exp [-(Φ/kT)]

여기서 r은 화학반응률(reaction rate), A는 상수(frequency factor), Φ는 재료의 활성화에 지

(activation energy, eV), k는 볼츠만 상수(Boltzmann's constant, 8.617×10-5

eV/K), T는 온

도(absolute temperature)이다. 비 속 재료의 경우 이 아 니우스 모델을 근거로 실제 원자로

운 조건온도보다 높은 온도조건에서 가속노화 시키고 그 결과를 원자로 운 조건으로 외삽

해 열수명을 평가 하는 것이 일반 인 열수명 시험평가 방법이다. 이 경우 재료의 열수명(L)은

화학반응률에 반비례하므로, 화학반응률을 열수명으로 치환하여 자연 수함수로 표시하면

ln L = [(Φ/kT)] ＋ lnA

이므로 이 식은 다음과 같은 1차 방정식으로 표시할 수 있다.

Y = aX ＋ b

이때, Y = ln L, X = 1/T이며 a는 Φ/k로 이 직선의 기울기이고 b 역시 상수로서 직선의 Y축

교차 을 나타낸다. 이 1차방정식은 열수명의 자연 수 값이 온도에 반비례하는 직선을 나

타낼 수 있다는 것을 보여 주고 있는데 이때 상수 a와 b는 열수명시험(thermal life test)을 통

해 실험 으로 얻어진다.

연신율 측정을 한 인장 실험은 UTM(Universal Testing Machine, KSU-05M)을 사용하여

수행한다. 이 기기로 열화된 폴리머 재료의 연신율(elongation) 항복강도 (yield strength),

인장강도(tensile strength) 등을 측정하여 재료의 기계 건 성과 노화 정도를 평가하고 활성

화 에 지를 도출하게 된다. 그림 3-6은 UTM으로 재료의 연신율 항복강도, 인장강도 등을

측정하는 인장시험 모습이다.

인장시험은 실험 차에 따라 기본 으로 상온 23±2℃, 습도 50±5%에서 진행되었으며, 시험

재료의 인장속도는 ASTM KS에 나온 차에 따라 고무일 경우에는 500 mm/min으로 실험

하 고 라스틱일 경우에는 50 mm/min으로 수행되었다. 실험이 진행되어 단이 일어나기

까지 인장 응력과 변형률 데이터는 경성시험기사의 KSTEST software를 이용하여 컴퓨터에

장된다. 시편의 규격은 SIR과 NBR의 경우 KS규격을 따랐으며 그 외 시편의 경우는 ASTM을

따랐다.

연신율 하를 측정하기 한 인장시험은 가속 노화된 폴리머 재료 시편을 선택하여 ASTM

KS규격에 의해 규정된 시편 크기와 시험방법에 따라 상온에서 측정하 다. 그리고 선정된

폴리머 재료의 장기노화 온도조건은 재료의 연신율 60%변화시 을 기 수명으로 설정하 다.

모든 실험은 실험결과의 신뢰도를 평가할 수 있도록 동일 조건으로 노화시킨 시편을 5개씩 만

- 28 -

들어 이를 상으로 같은 실험을 반복하여 측정하 다. 가속노화 온도의 설정은 물성치의 평가

를 통해 각 재료가 물리 /기계 안정성을 유지할 수 있는 최 온도 이하에서 세 가지의 온

도를 설정하 다.

그림 3-6 UTM을 이용한 인장실험

다. 열 량 분석 시험(Thermal Gravimetric Analysis)

열 량 분석은 열분해에 따른 휘발성 고체나 액체, 가연성 물질 등의 질량 혹은 질량변화를

측정하는 실험이다. 이 실험은 열분해에 따른 폴리머 재료의 노화를 평가하는데 사용될 수 있

다. 여기서는 평가 모델을 설명하는 여러 가지 열 량 분석 해석 방법 통계학 기반을 갖

고 있으며 수식 용이 간단한 Ozawa법으로 설명하 다. 열 노화에 따른 재료의 물성변화가

n차 반응을 하고 있다면 화학반응물에 한 미분방정식은 다음과 같다.

여기서, n은 반응차수, c는 환율( 는 열분해율, 질량 감소율)이다. 이때 반응 속도 상수 k는

이며 여기서, A는 상수(collision factor), E는 활성화 에 지, R은 기체상수(gas constant), T는

온도이다. 이번 연구에서는 Ozawa법과 유사하고 실용 인 방법인 ASTM E1641-99를 이용

하여 활성화에 지를 구하 다. 이 기 에 따른 계산 방법을 간단히 정리하면, 아래와 같다.

- 29 -

∇∇ log

여기서, E= activation energy, [J/mol]; A= pre-exponential factor,[min-1]; R= gas constant,

[8.314 J/mol․K]; β= heating rate, [K/min]; b = approximation derivative(use b = 0.457/K

on first iteration); Tc= temperature for point of constant conversion for β', [K] 이다.

그림 3-7 TGA(Q 500, TA)

맨 처음에 의 식을 이용하여 E값을 구한 후에 E/RTc를 이용하여 ASTM E1641-99에서 주어

진 b‘(new estimation of b)를 구한다. 그리고 이 b‘를 다시 의 식에 넣고 구한다. 여기에서

구해진 값 Er(refined activation energy)이 다시 되풀이 되어 활성화에 지가 도출된다.

열 량분석 실험은 TA사에서 제작된 Q 500을 사용하여 진행되었다(그림 3-7). 이 열 량 분석

- 30 -

기로 질량 감소 곡선이 가열 속도에 따라 달라짐을 이용하여 활성화에 지를 도출하게 된다.

Sample은 heating rate에 맞추어 3±1 mg, 각 시편 당 4개씩을 비하 다. Heating rate는 20

℃/min, 10 ℃/min, 5 ℃/min, 2 ℃/min의 4가지로 설정하 다. 실험은 ASTM E1641-99와

Wyle lab.의 실험 차를 따랐으며, 실험은 각 시편에 4가지의 가열속도(heating rate)를 변화시

키면서 실험하 다. TGA 실험 시 재료는 가스상 분 기에 민감하므로, 장치 내에 남아 있는

산소를 제거하기 해 inert gas(nitrogen)를 purge time (2분) 동안 공 하여 유지하 다. 실험

기체는 50 mL/min의 flow rate로 inert gas(nitrogen)를 공 하여 실험을 진행하 다. TGA

실험에서 5%의 량 손실이 일어나는 온도는 분해와 좋은 상 계를 보인다. 따라서 5%의

량 손실이 일어나는 지 에서의 활성화에 지를 구하여 외국의 자료와 비교 검토하 다.

라. 동 기계분석시험(Dynamic Mechanical Analysis)

비 속 재료는 온도와 주 수에 따라 storage modulus와 loss modulus가 변한다(그림 3-8,

그림3-9). 이 데이터를 이용해서 shift factor(αT)를 구한 뒤 (1/T-1/To)와의 그래 를 그린 뒤 선

형인 구간을 심으로 모델링하여 활성화에 지를 구한다(그림 3-10).

ln ln

여기서, αT = Shift factor, τ = Relaxation time, T0 = Reference Temperature, T = Temperature, f =

Frequency, f0 = Reference Frequency, E = Activation Energy, R = Gas-Constant, f

0는 기 이 되는

온도 T0에서의 주 수이다.

- 31 -

60 80 100 120 140 160 180

Temperature ( 0C )

그림 3-8 온도에 따른 Storage modulus의 변화

40 60 80 100 120 140 160 180

Temperature ( 0C )

그림 3-9 온도에 따른 Loss modulus의 변화

- 32 -

그림 3-10 shift factor와 온도의 역수와의 계

그림 11 DMA를 이용한 재료의 탄성율 분석

- 33 -

동 기계분석 실험은 (Perkin Elmer : Pyris Diamond DMA SII)을 사용하 다(그림 3-11). 동 기계

분석기로 장탄성율(Storage Modulus)과 손실탄성율(Loss Modulus)이 온도와 응력에 따라 달라짐

을 측정하여 활성화 에 지를 도출하게 된다. 5℃/min 의 Heating rate로 온도의 변화를 주었으며,

Frequency는 0.01～100 Hz 사이의 13가지 값을 선택하여 재료에 가해지는 응력의 변화를 주었다. 온

도상승에 따른 재료의 열화를 방지하기 해 시편에 차단막을 설치하고, inert gas(nitrogen)를 공 하

여 실험을 진행 하 다. DMA실험결과 온도와 응력의 변수에 따른 Modulus의 변화는 일정한 패턴을

보인다. 온도와 응력의 변화 계로 활성화에 지를 구하여 비교 검토 하 다.

2. 분석 program 제작

가. 열수명 시험 (Thermal Life Test)

열수명시험 결과에 한 분석 비교 평가를 해 국외 GLS사의 폴리머 재료의 물성 데이

터베이스를 구입하 다. (그림 12). 제작된 폴리머의 용도, 제작회사, 연구소 등에 따라 활성화

에 지를 검색할 수 있으므로 본 연구실에서 실험한 데이터와 비교 분석이 가능하다.

그림 3-12 활성화 에 지 데이터베이스

나. 열 량분석 시험(Thermo-Gravimetric Analysis)

TA사에서 제작한 소 트웨어를 이용하여 TGA 결과를 분석하 다(그림 3-13). 본 연구실에서

구입한 TGA는 ASTM 규정에 따라 실험을 진행하도록 설정되어 있으며 분석 로그램 한

ASTM에서 제안하는 방식을 따르고 있다. 이 로그램을 이용하여 활성화에 지, 열수명평가

에 한 값을 쉽게 얻을 수 있다.

- 34 -

다. 동 기계분석 시험(Dynamic Mechanical Analysis)

엑셀의 매크로 기능을 사용해서 동 기계분석 시험에 한 분석 로그램을 제작하 다(그림

3-14). 동 기계분석기에서 나온 raw data를 자체 제작한 분석 로그램에 입력하여 활성화에

지를 구할 수 있도록 하 다.

그림 3-13 열 량 분석 로그램

그림 3-14 동 기계시험 분석 로그램

- 35 -

3. 시험 분석 차서 작성

국내외 산업규격을 분석하여 UTM, DMA, TGA에 한 시험 차서를 작성하 다. 실험

차와 분석은 주로 ASTM 규정을 따르도록 하 으며 시험성 서와 함께 기계연구원의 공인된

문서로 활용할 수 있도록 제작하 다.

4. 국내 폴리머재료에 한 활성화에 지 도출

본 연구에서 가속열노화시험을 해 선정된 원자력폴리머 재료는 수지류 Nylon,

PBT(Poly-Butylene Telephtalate), PP(Poly-Propylene), PTFE(Poly-Tetra Fluoro-Ethylene),

PVC(Poly-Vinyl Chloride), POM(Poly Oxy-Methylene), PET (Poly-Ethylene-Telephtalate),

TPE(Thermo-Plastic Elastomer polyester)의 8종과 고무류 SIR(Silicon Rubber),

EPR(Ethylene Propylene Rubber), NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber)의 3종이다. 이 에서

는 EPR 재료에 한 열노화시험, 열 량 분석 시험, 재료특성 시험에 한 내용을 기술한다.

가. 가속 노화시험 결과 (EPR 결과의 )

(1) 일반 인 성질

EPR은 에틸 과 로필 을 혼성 합시켜 얻은 비결정성 고분자 물질이다. 헵탄용액 속에서

부틸알루미늄과 사염화바나듐을 매로 사용하여 -50℃에서 에틸 과 로필 을 작용시키면

고무상의 합체가 생긴다. 이 합체는 이 결합이 어서 가황을 할 수없어 성형하기가 곤란

하므로 디시클로펜타디엔 등 의 제3성분을 가하여 3원 혼성 합시키면 이 결합을 많이 함유

하는 터폴리머(3성분 고분자물질)을 얻는다. 이것을 EPDM이라 한다. EPDM은 화학 으로 안

정하며, 가황한 것은 물리 성질이 천연고무와 SBR의 간성질을 보인다.

(2) 열수명 시험(thermal life test) 결과

그림 3-15는 노화에 따른 EPR의 상 연신율 측정값을 plot한 것이다. 이 실험결과에서 알

수 있듯이 EPR는 다른 실험 상 폴리머 재료에 비하여 노화의 진행에 따라 연신율의 감소가

격하게 진행되며 노화온도 140℃에 비하여 155℃, 170℃에서 상 으로 감소폭이 하게

커지는 것을 확인할 수 있다.

이 데이터에서 볼 수 있듯이 실험결과에 있어 좀 더 많은 실험의 수행이 바람직하나 3개 실

험 자료로만 평가할 때 140℃에서 가속 노화시킨 경우 연신율 60% 하까지의 life time은

1315.79 hour이며 155℃에서 가속 노화시킨 경우 life time은 367.55 hour이었다. 마지막으로

170℃ 가속 노화 조건에서의 life time은 170.86 hour로 나타났다.

열노화 시험에 의해서 얻어진 life time을 바탕으로 Arrhenius plot을 통해 평가한 결과 연신

율 60% 하에 한 활성화 에 지 값은 1.1 eV 이다(그림 3-16).

- 36 -

그림 3-15 EPR의 가속열노화에 한 연신율

0.00224 0.00228 0.00232 0.00236 0.00240 0.00244

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

EPR Activation EnergyY=12758.75X-23.77884Ea=1.1 eV

ln(t)

[hou

r]

1/T [K]

그림 3-16 EPR의 활성화 에 지 측정 결과

- 37 -

(3) 열 량분석 시험(Thermal Gravimetric Analysis) 결과

그림 3-17은 EPR의 heating rate에 해서 온도변화에 따른 무게의 변화를 보여주고 있다. 이

실험결과는 EPR 재료의 열분해에 의한 고온 무게 감소를 보여주는 형 인 모습으로 온도 증

가율이 빠를수록 그 무게 감소는 빨라진다.

그림 3-17 EPR의 TGA 실험결과

Weght loss 5%일 경우의 logβ/(1/T)의 값은 -0.4567이다. 이 값을 이용하여 활성화 에

지를 구 하면 1.59 eV이다(그림 3-18). 이 값은 재 비교할 해외자료가 없어 비교평가가 어려

운 상태이며 열노화시험으로 구한 1.1 eV와 비교하 을 때 다소 높음을 알 수 있다. 주로 시편재료

에 기인한 것으로 보이지만 Wyle Lab.자료의 경우 실험방법이 자세히 밝 져 있지 않아 실험방법

차가 상당부분 차이가 있을 것으로 단된다.

0.00178 0.00179 0.00180 0.00181 0.00182 0.00183 0.00184 0.00185

6

9

12

15

18

21

Log

Hea

ting

Rat

e [℃

/min

]

1/T [K]

EPR Activation EnergyY = -8269 X + 16Ea= 1.59 eV

그림 3-18 5% 량감소 지 에서의오 도와 heating rate

- 38 -

(4) 동 기계분석시험(Dynamic Mechanical Analysis) 결과

열화 되지 않은 상온시편을 가지고 DMA Test를 수행한 결과를 보면 시간이 지남에 따라

storage modulus는 어들면서 활성화에 지는 반 으로 어든다. 그림 3-19의 그래 는

130℃에서 시편을 11.43시간, 34.29시간, 68.58시간 열화 시킨 후의 결과를 보여 다. 열화시간

이 증가함에 따라 그래 가 왼쪽으로 이동하는데 이것은 열화가 됨에 따라 활성화에 지 언덕

이 어들고 있음을 나타낸다. 이 실험결과를 기오 에 의해 구한 결과와 비교할 때는 실험

결과에서 표 인 값을 한 개 선택해야 한다. 기오 법의 경우 노화 진행상태에 따라

modulus는 증가하고 DMA법의 경우 노화 진행 상태에 따라 modulus는 감소한다. 활성화에

지 선정기 은 아직 연구 인데 아래와 같은 논리 인 근거를 가지고 활성화에 지를 선택할

경우 타당한 선택을 할 수 있다.

20000 15000 10000 5000

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Modulus & Activation Energy

Act

ivat

ion

ener

gy (

eV)

Storage Modulus ( Pa )

Deterioration Time / 130oC

0h 11.43h 34.29h 68.58h

그림 3-19 열화시간에 따른 활성화에 지와 storage modulus의 계

․일반 으로 노화진행에 따라 재료의 에 지상태가 증가

․일반 으로 열수명 시험법에서 연신율이 50% 감소지 의 수명을

․연신율 50% 감소지 은 재료의 에 지 상태가 50% 증가했다고 가정함

․따라서 DMA 시험결과에서 재료의 에 지가 50% 증가 시 을 활성화에 지 선정시 으

로 함

이상의 으로 열수명 시험법과 DMA법을 비교한 결과 본 연구에서 DMA로 측정한 결과와

Wyle Lab.의 결과 매우 유사함을 알 수 있었고 열수명 시험법과의 비교에서도 10％의 오차가

- 39 -

있을 뿐이었다(표 3-1). 이로써 열수명 시험법에 의해 시험을 수행할 경우 발생하는 많은 시간

과 인력을 DMA을 가지고 시험할 경우 단축할 수 있는 계기를 마련했다.

재료KIMM Wyle LAB.

Thermal aging

TGA DMA Thermal aging TGA DMA

EPR 1.1 eV 1.59 eV 1.24 eV 1.23 eV 없음 없음

표 3-1. KIMM과 Wyle LAB.의 결과 비교

나. 국내 폴리머재료의 열가속 노화 시험 평가 결과

(1) 열수명 시험(thermal life test)

국내 폴리머재료에 해 2.4.1에서 수행한 EPR에 한 열수명시험을 동일한 방법과 차로 수

행하 다. 표 3-2는 노화온도에 따른 60 % 연신율 하시간을 나타낸 것이고, 표 3-3은 이 결

과를 이용하여 아 니우스 방정식을 이용하여 구한 활성화 에 지 값과 TGA, DMA 에 의한

활성화에 지 값이다.

Polymer

Materials

노화온도[℃]

연신율 60%하시간[hr]

Polymer

Materials

노화온도[℃]

연신율 60%하시간[hr]

Nylon

140 1305.5

POM

120 1581.7

155 1137.3 136 1361.5

170 310.3 150 185.0

PBT

140 2369.7

PET

150 1618.1

155 1529.1 165 1378.8

170 223.8 190 805.3

PP

136 6261.4

TPE

80 17543.9

150 2219.6 100 13544.0

165 102.8 120 2328.3

PTFE

190 4761.9

SIR

140 4246.3

220 4052.7 155 1819.8

250 3940.9 170 674.7

PVC

50 1258.

NBR

60 1927.7

57 855.6 75 1185.5

65 480.3 90 752.6

표 3-2. 노화온도에 따른 재료의 60% 연신율 하시간

- 40 -

100 101 102 103 104 105

0

1

2

3

4

5

6

Pre

ssur

e [k

g/cm

2 ]

Time [ sec. ]

Origin Experiment

5. 비 속 재료의 설계기 사고(LOCA) 실험

가. 실험방법 차

LOCA실험은 방사선 조사조건을 제외한 압력, 온도, 습도 화학분무 등을 규정하는

IEEE-323과 IEEE-383에 따라 수행한다. LOCA실험을 수행하면서 각 발 소별로 보유하고 있는

고유한 LOCA profile을 용할 경우 실험기간이 약 6개월정도 실험하기에는 비용과 시간이

무 비효율 이다. 그래서 thermal aging 개념을 도입하여 Modify LOCA profile를 제작하여

LOCA실험을 수행하 다(그림 3-20). Modify LOCA profile 방법론은 다음 에서 언 하기로

한다. LOCA시험 재료의 부족으로 국내 폴리머재료에 한 LOCA시험을 수행할 수 없었다는

미지한 부분이 있지만 시험기술 확보차원과 선행시험을 해 LOCA실험에 선정된 재료는 원

용 EPR 이블의 자켓 부분인 CR/CSP이다. ASTM에 근거하여 인장시편을 만든 후 자체 제

작한 Mandrel에 이블을 감고 시험챔버에 장입하여 LOCA실험을 수행하 다(그림 3-21).

LOCA실험을 수행한 이후 시편은 LOCA실험 과 같은 방법으로 TGA, DMA를 이용하여 활

성화에 지를 산출하고 LOCA실험 후 UTM을 이용하여 CR/CSP의 기계 성질의 하정도

를 비교/평가한 후 시험결과를 종합분석을 하 다.

그림 3-20. LOCA 압력/온도 로 일

- 41 -

그림 3-21. LOCA시험용 이블 시편과 Mandrel

나. Method for modifying profile

LOCA 로 일은 크게 두 구간으로 보면 기에 온도, 압력이 격히 변화하는 transient구간

이 있고 긴 시간 동안 거의 일정하게 유지되는 tail부분이 있다(그림 3-22). Tail부분에서는 화학

분무가 끝나기 때문에 오직 온도와 압력에 한 환경 조건하에서 노화가 일어난다. 그러므로

이 구간을 가속열노화 조건으로 고려하면 아 니우스 방정식을 통해서 시간과 온도 조건을 수

정할 수 있다. 수정에 한 차는 그림 3-23과 같다.

100 101 102 103 104 105 106 107 108

0

1

2

3

4

5

Pre

ssur

e [ k

gf/c

m2 ]

Time [ sec ]

Original Modified

4day

182day

2.95

4.01

100 101 102 103 104 105 106 107 10840

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Tem

pera

ture

[ o C

]

Time [ sec. ]

Original Modified

4day

182day

182.2 oC

106.5 oC

Transient

Tail

Transient

Tail

100 101 102 103 104 105 106 107 108

0

1

2

3

4

5

Pre

ssur

e [ k

gf/c

m2 ]

Time [ sec ]

Original Modified

4day

182day

2.95

4.01

100 101 102 103 104 105 106 107 10840

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Tem

pera

ture

[ o C

]

Time [ sec. ]

Original Modified

4day

182day

182.2 oC

106.5 oC

Transient

Tail

Transient

Tail

그림 3-22. Modifying 압력/온도 로 일

- 42 -

그림 3-23. LOCA 로 일 tail부의 분해 곡선

먼 이블에 한 활성화에 지를 구하기 해 가속열노화 실험, TGA를 통해 분석을 한다.

tail부분을 계단식으로 변형시킨 다음 각 구간을 반복 으로 처음부터 끝까지 아 니우스 방정

식에 입하여 새로운 온도 조건을 찾는다. 이 반복 인 수행을 해 Basic Language를 사용

하 으며 구간은 10 간격으로 짧게 나 었다. 온도가 결정이 되면 감소 인 온도와 만나는

온도에서의 시간에서 압력 한 일정하게 유지된다. 이 방법을 통해 로 일을 수정한 결과

tail부분의 온도와 압력은 증가하 으며 시간은 크게 감소되었다. 화학 살수시간을 고려하기

해 시간을 4일 이하로 낮추어서는 안 된다.

다. 기계 성능시험(Mechanical Property Test)

LOCA실험 후 이블의 기계 성능 분석을 해 UTM을 이용하여 CR과 CSP에 한

strain/stress곡선을 얻었다.(그림 3-24). LOCA 실험 후 CR은 40 %, CSP는 20 % 만큼 strain 값

이 감소하 다. 이는 고온 고압의 LOCA 환경조건에서 재료의 노화 때문으로 단된다.

그림 3-24 Stress and strain curve of CR and CSP

- 43 -

라. 열 량 분석 시험(Thermo-Gravimetric Analysis)

그림 3-25～3-26은 CR, CSP 재료에 한 LOCA실험 후의 heating rate에 따라 weight loss

5%지 의 온도를 측정 결과이다. 이 값을 이용하여 X축은 log(1/T), Y축은 heating rate로 해서 그

래 를 그린 후 기울기를 측정한 후 Ozawa 법을 이용해 활성화 에 지를 도출하 다. 실험 이

블에 한 TGA 를 이용한 활성화 에 지 값은 Wyle Lab.의 값과 약 0.1 eV 정도 차이 실험후의 값은

CR은 크게 감소 하 지만 CSP는 거의 일정함을 보 다. CR, CSP 재료의 LOCA 사고 환경 후 시

편의 활성화 에 지를 측정해 본 결과 CR은 약간 감소하 으나 CSP는 크게 감소하는 경향을 나타내

었다.

93.0

93.5

94.0

94.5

95.0

95.5

96.0

96.5

97.0

Wei

ght

(%)

180 200 220 240 260 280 300 Temperature (? )

TGASample: 20050531-600VEPRCR_5c_test01Operator: RHBRun Date: 2005-05-31 10:54:37Comment: heating=5C, Gas=N2@60mL/min

T A I nst rum ents

93

95

97

99

Wei

ght (

%)

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Temperature (? )

TGASample: 20050524-LOCA_600VEPR_5C_test01Operator: RHBRun Date: 2005-05-24 14:19:19Comment: heating=5C, Gas=N2@60mL/min

T A I nstruments

5.0%

(a) LOCA 실험 (b) LOCA 실험후

그림 3-25 CSP의 TGA 량 감소 곡선(5% 감소지 )

93.5

94.0

94.5

95.0

95.5

96.0

96.5

Wei

ght

(%)

220 240 260 280 300 Temperature (? )

TGASample: 20050531-300VEPRCR_5c_test01Operator: RHBRun Date: 2005-06-01 00:32:47Comment: heating=5C, Gas=N2@60mL/min

T A Instrum ents

93.5

94.0

94.5

95.0

95.5

96.0

96.5

Wei

ght

(%)

200 220 240 260 280 300 Temperature (? )

TGASample: 20050524-LOCA_300VEPR_5C_test01Operator: RHBRun Date: 2005-05-25 00:31:36Comment : heating=5C, Gas=N2@60mL/min

T A Instruments

(a) LOCA 실험 (b) LOCA 실험후

그림 3-26 CR의 TGA 량 감소 곡선(5% 감소지 )

마. 동 기계분석시험(Dynamic Mechanical Analysis)

그림 3-27～3-28는 CR과 CSP 재료의 lnαT 와 1/T-1/T0의 계 그래 이다. DMA 데이터의

frequency값을 이용하여 Shift factor(αT)를 구한 후, 각 storage modulus값에 따른 lnαT 와

1/T-1/T0의 계 그래 를 출력하 다. 그래 에서 선형의 일정 구간만을 선택하여 각

storage modulus마다 계산되어진 재료의 활성화에 지값을 구한 후, 최 활성화에 지값과

최소 활성화에 지값을 나타내는 modulus의 평균값을 구하여, 그 값이 나타내는 활성화에 지

값으로 구하 다. CR과 CSP 재료의 활성화에 지는 LOCA 시험 후를 비교하 을 경우 거

의 변화가 없음을 보 다.

- 44 -

-0.001

-0.0008

-0.0006

-0.0004

-0.0002

0

0.0002

0.0004

-6 -4 -2 0 2 4 6

ln αT

1/T

- 1

/T o

23000

25000

27500

30000

35000

40000

45000

50000

그림 3-27 CR의 LOCA 후

그림 3-28 CSP 의 LOCA 후

바. 실험결과의 종합

표3-3 은 Thermal aging, TGA, DMA 방법으로 한국기계연구원에서 수행한 비 속재료에 한

활성화에 지값과 Wyle Lab.의 database에 수록되어 있는 재료의 활성화에 지값을 보여주고

있다. 표3-3 에 한 내용을 간단하게 정리를 하면 아래와 같이 비교할 수 있다.

․Thermal aging test

Wyle Lab.의 실험결과와 비교하 을 경우 약간 낮거나 비슷한 경향을 보임

․TGA 결과

Wyle Lab.의 CR, CSP를 제외하곤 자료가 없어서 비교 곤란한 상태이다. CR, CSP는 약간 높

거나 비슷한 경향을 보 지만 PVC의 경우 큰 차이를 보 다.

․DMA 결과

Wyle Lab.은 DMA Data 무, Thermal aging결과와 비교 하 을 경우 거의 일치함을 보임

CR과 CSP에 한 LOCA후의 활성화에 지 계측은 국내 최 로 수행하 으며 상 로

LOCA실험 후의 활성화에 지는 감소, CR의 경우 크게 감소하는 경향을 보 으며 시험에

한 차서를 확보하는 등 좋은 활성화에 지 결과를 도출하 으며 추후 TGA와 DMA의 효율

성과 편리성을 고려하 을 때 타당성 여부뿐만 아니라 기존의 UTM법과의 상 계에 한

추가연구가 필요함을 알게 되었다.

- 45 -

ItemKIMM Wyle Lab.

Thermal aging TGA DMA Thermal

aging TGA DMA

EPR 1.1 1.59 1.24/1.131) 1.23 - -

PVC 0.61 0.39 - 0.78-2.06 1.39 -

NYLON 0.77 1.46 - - - -

PP 2.1 0.35 - 2.39-2.52 - -

POM 1.03 1.29 - 0.95 - -

CR - 0.77/0.1352) 1.72/1.742) - 0.65 -

CSP - 1.184/1.102) 1.04/0.952) - 1.07 -

표 3-3 비 속재료의 활성화에 지 측정의 종합

단 [eV]

1)After thermal Aging 2)After LOCA test

- 46 -

제 3 시험시편 특성 분석 시험장비 설치

1. 시편의 SEM 분석

본 연구에서는 시험 이블의 노화분석을 하여 음속측정기와 경도 측정을 한 시험 장비

를 구축하고 시험시편의 경도, 단시 연신율, 열화정도에 따른 시편의 SEM 특성 등을 분석

하 다.

그림 3-29 시편의 SEM 분석사진

그림 3-29는 시험시편의 특성을 분석하기 하여 SEM 장비를 이용하여 열화 시편과 12

6℃, 96hr 시간 열화후, 그리고 126℃, 264hr로 열화후의 CR 이블에 한 상태를 나타낸 그

림이다. 그림으로부터 기 열화 시편의 단면의 상태가 열화가 진행 될 수록 단면의 거

칠기가 증가하고 있음을 알 수 있다. 즉, 시험 시편의 경화도가 증가함에 따라서 이블의

단면의 거칠기가 거칠게 나타나고 있다.

- 47 -

2. 시편의 단시 연신율 시험

그림 3-30은 열화 의 CSP CR cable 시편에 한 단시 연신율 시험결과를 나타낸 것

이다. 단시 연신율 시험은 ASTM D412 기 을 따라 시편제작 시험을 수행하 으며 인

장 시험시 인장속도는 500±50 mm/min으로 설정하 다.

(a) Intact CSP cable (b) Intact CR cable

그림 3-30 CSP 시편 CR 시편의 단시 연실율 시험 결과

그림으로부터 연신길이가 증가한 후 특정 치에서 단이 발생하고 있음을 알 수 있다.

그림 3-31은 시험시편의 단-연신율 시험을 통하여 얻어진 특성 노화시간에 따른 연신길

이의 변화를 나타낸 그래 이다. 그림으로부터 노화시간이 증가함에 따라서 연신길이가 감소

경향을 보이고 있는 것을 확인 할 수 있다. 그림 3-32는 노화시간에 따른 단강도의 실험결

과를 나타낸 그래 이다. 노화시간이 증가함에 따라 시편시편의 경도가 증가함으로 인하여

단강도가 단조감소경향을 나타내고 있음을 확인 할 수 있다.

- 48 -

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Time(Hour)

Elon

gatio

n(m

m)

그림 3-31 노화시간에 따른 연신 길이의 변화

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80

Time(Hour)

Bre

akin

g St

reng

th(k

g)

그림 3-32 노화시간에 따른 단강도의 변화

- 49 -

제 4 비 괴 검사법을 이용한 노화분석

1. 비 괴 검사법의 개요

비 괴검사 기술이 우리나라에 처음 도입된 것은 1960년 이며 정부의 경제개발 계획에

의한 화학공업 입국정책에 따라 석유화학 랜트, 원자력 발 랜트 등 각종 랜트가 건설

되었고 조선공업, 방 산업 등 고부가가치 산업이 발달함에 따라 비 괴검사의 수요가 증

하게 되면서 차 으로 우리나라에 정착하게 되었다.

비 괴 검사 방법에는 방사선투과검사, 음 탐상검사, 자분탐상검사, 침투탐상검사, 와 류

탐상검사, 설검사, 육안검사, 음향방출검사, 외선 탐상검사 등 여러 가지 검사방법이 있으

며 과학기술의 발 과 더불어 비 괴검사 기술도 격히 발 하고 있다. 특히 고도의 신뢰성과

안 성이 요구되는 우주, 방산, 원자력산업에 수요가 증가하고 있다.

가. 방사선 투과검사

투과성 방사선을 시험체에 조사하 을 때 투과 방사선의 강도 변화, 즉 건 부와 결함부의

투과선량의 차에 의한 필름상의 농도차를 이용하여 결함을 검출하는 비 괴 검사방법으로 주

로 용 부, 주조품 등의 재료 내외부 결함검출에 사용된다. 구 인 기록수단이며 모든 종류

의 재료에 용이 가능지만 방사선 안 리가 요구되는 검사방법이다.

나. 자분탐상검사

검사 상을 자화시키면 불연속부에 설자속이 형성되며 이 부 에 자분을 도포하면 자분이

속되어지는 상을 사용하여 검사하는 방법으로 강자성체 재료의 표면 표면직하 결함검

출에 많이 사용되는 방식이다. 이 검사방법의 특징은 강자성체에만 사용이 가능하며 결함을 육

안으로 식별할 수 있다. 한 검사가 신속하고 렴한 장 이 있다. 그러나 비자성체에는 용

이 불가능 한 단 이 있다.

다. 침투탐상검사

표면으로 개방되어 있는 결함을 탐지하는 기법으로 침투액을 모세 상에 의하여 침투하게

한 후 상액을 용하여 육안으로 식별하는 방식이다. 용 부나 단조품 등의 비기공성 재료에

한 표면 개구결함 검출에 주로 사용되는 방식이다. 거의 모든 재료에 용 가능하며 장

용이 용이하고, 제품의 크기나 형상 등에 크게 제한을 받지 않는 특징이 있다.

라. 와 류 탐상검사

자유도에 의해 와 류를 발생하며 시험체 표층부의 결함에 의해 발생한 와 류의 변화를

측정하여 결함을 탐지하는 방법으로 이 , , 강 등 도체 재료의 표면 는 표면 근처

의 결함검출에 주로 사용된다. 비 탐상, 고속탐상, 자동탐상 등의 방식으로 사용되며 각종

도체의 표면결함이나 열교환기 튜 을 결함 등을 탐지하는데 이용된다.

- 50 -

(1) 와 류(eddy current)란

맴돌이 류 혹은 푸코 류라고도 하며 도체의 내부에서 국부 으로 소용돌이 모양으

로 닫힌 통로를 흐르는 류로서, 도체 내부를 지나는 자기력 선속의 변화로 인해서 생

기는 류이다.

(2) 와 류탐상검사 원리

교류가 흐르는 코일을 도체에 가까이 하면 코일 주 에 발생된 자계가 도체에 작용

하게 된다. 코일의 자계는 교류에 의행 생긴 것이므로 도체를 통하는 자속의 방향은

시간 으로 변화한다. 이때 도체에는 도체를 통하는 자속의 변화를 방해하려는 기

력이 생긴다. 이것을 자유도라 한다. 도체는 이 기 력에 의해 와 류라는 교류 류

를 발생시킨다. 도체에 생긴 와 류의 크기 분포는 주 수, 도체의 도도와 투자율,

시험체의 크기와 형상, 코일의 형상과 크기, 류,

마. 설검사

암모니아, 할로겐, 헬륨 등의 기체나 물을 이용하여 설을 확인하는 것으로 상체의 기

성을 평가하는데 주로 이용되는 방식이다. 압력용기나 기타 장탱크 등의 설 탐지에 사용된

다.

바. 압입 시험법

원자력 발 소 이블의 노화진단에 가장 많이 사용하는 기술로 인덴터를 사용하여 이블

에 가해지는 하 과 변 를 연속 으로 측정하여 얻어지는 압입하 -변 곡선의 분석을 통해

인정물성, 잔류응력, 괴인성 등의 다양한 기계 물성을 평가하고 이를 바탕으로 이블의

노화정도를 진단하는 기술이다.

사. 음 진단법

재질을 통과하는 음 의 종 속도가 물리 특성의 변화를 민하게 검출할 수 있다는 것

과 재료에서 음 의 속도와 연신률의 상 계를 통해서 노화를 진단하는 기술로서, 아

직 연구 기 단계이며 폴리머 재료의 노화상태를 진단하기에는 재 연구단계에서는 불확실성

이 다수 존재한다.

(1) 음 음속 계측에 의한 노화진단

음 의 속도는 탄성계수, 도, 아송비(Poisson's ratio), 온도 등에 의해 결정된

다. 그림 3-33은 본 연구에 사용된 비 괴 진단법인 음 진단법의 계략도를 나타낸

것이다.

Test cable

Longitudinal wave

Transmitter Receiver

그림 3-33 음 측정장치 schematic

- 51 -

송신 수신 음 탐 자를 특정 거리만큼 분리하여 송신 탐 자에서 수신탐 자까

지 음 가 한 시간을 측정하여 이블의 상태를 확인하는 진단장비이다. 이 방법

은 이블 피복재의 두께에 상 없이 음 의 속도 측정이 가능하기 때문에 여러 종류

크기의 이블에 용하여 열화를 진단할 수 있는 장 이 있다.

아. 음향 방사 탐상검사(acoustic emission testing)

속재료에 응력을 가하여 결함부에서 탄성 가 발생하며 이 탄성 를 수신하여 결함의

치를 정, 손상의 진 감시 등 동 거동을 단하는 검사방법으로, 모든 재료에 용할 수

있으며 최근에는 세라믹, FRP, 콘크리트, 암석 등에도 범 하게 용되고 있는 방법이다. 재

료의 소성변형, 균열의 생성 진 감시 등 동 거동 악, 결함부의 취이 정 재료의 특

성평가 등에 이용된다.

자. 외선 화상 탐상검사

상물의 온도 분포에 의한 외선 써머그래 로 얻어진 열화상을 통하여 화상의 변화로 결

함 유무를 단하는 비 괴 검사법의 일종이다.

차. 육안검사

인간의 육안을 이용하여 상의 표면에 존재하는 결함이나 이상유무를 단하는 가장 기본

인 비 괴 시험법이며 경우에 따라서 Bore-scope나 Fiber-scope 소형 TV촬 기 등과 같은

학기기를 이용하여 찰하기도 하며 섬유를 이용한 고정도의 내시경을 사용하기도 한다.

그러나 검사의 신뢰성 확보가 어려운 단 이 있다.

- 52 -

2. 인덴터를 이용한 노화분석

단시 연신율 측정과 같은 시험의 경우 이블의 열화상태를 평가하기 하여 이블을

축 방향으로 개한 후 시험 시편을 별도로 만들어 인장시험을 해야 하는 괴 인 방법이다.

비 괴 방법의 일종으로 압입시험에 의한 이블 노화상태를 평가하는 방법이 인덴터를 이

용한 노화분석기법이다. 인덴터는 시편 표면에 가해진 힘과 시편표면의 변화거리를 변수로 하

여 경화상태를 진단하므로 손쉽게 장에 용할 수 있는 장 이 있다.

그림 3-34 인덴터 실험장치의 schematics

그림 3-34는 인덴터 실험장치의 계략도를 나타낸 것이다. 이블 시편의 표면을 압입자로

고정한 후 일정속도로 압입하 을 증가시켜 이블을 압입, 이때의 모듈계수(압입하 /압입깊

이)값의 변화를 찰하고 단-연신률 데이터와의 상 성을 도출하여 노화를 진단하게 된다.

본 연구에서는 비 괴 노화분석 방법의 하나인 인덴터 법을 이용하여 노화분석을 실시하

다. 이를 통하여 시험 이블의 노화정도와 압입깊이에 한 계를 정량 , 정성 으로 규

명하 으며 인덴터법의 신뢰성 확보를 한 방안을 모색하 다.

그림 3-35와 3-36은 열화온도가 116℃인 CR 시편과 CSP 시편의 경우 열화시간 증가에 따른

단시 연신율 결과와 인덴터 시험결과와의 상 계를 도출한 실험 결과를 나타낸 그래 이

다. 그래 로부터 CSP 이블의 경우 y(신장길이)=228.5x(인덴터 측정깊이)-46.7의 계를 보

이고 있으며 CR 이블의 경우 y=382.4x-46.2의 상 계를 보이고 있다. 이상의 결과로부터

인덴터법을 이용한 열화 이블의 수명 측이 가능하다.

- 53 -

그림 3-35 CSP 이블의 인덴터 깊이에 따른 연신길이 변화

그림 3-36 CR 이블의 인덴터 깊이에 따른 연신길이 변화

- 54 -

3. 음속측정기를 이용한 노화분석

음 법에 의한 열화도 평가는 이블을 통과한 음 의 음 특성을 분석하여 이블의

열화정도와의 상 계를 얻는 방법이다. 일반 으로 다결정체 내에서 음 의 속도는

탄성계수, 도, 아송비, 온도 등에 의존하며 음 의 표 인 종 ()와 횡 ()의

속도는 다음식과 같다.

여기서, E는 율(Young's modulus), 는 도, 는 와송비이다.

종 와 횡 이블의 노화분석에는 종 를 사용한다. 이블 표면에 평행한 방향으로 진

행하는 종 특성을 음 탐상기 같은 음속측정기를 이용하여 측정하여 음 특성을 분석한

다. 이블은 열화정도에 따라서 경도가 변화하게 되고 경도가 변화한 이블을 통과하는

음 는 상기 식과 같은 계에 의하여 속도가 변화하게 된다. 이 음 속도를 분석

함으로 경도와 속도와의 상 계로부터 이블의 열화정도를 진단, 평가할 수 있다.

본 연구에서는 시편에서의 종 속도를 측정하기 하여 펄스리시버로 Panametrics 5073PR을

사용하 으며 디지털오실로스코 로 Tektronics 3032B와 주 수 5㎒의 음 탐 자

(Panametrics) 를 사용하 다. 그림 3-37은 시험 상인 CSP와 CR, 2종의 이블의 사진을 보여

주고 있다. 그림 3-38은 음 탐상장비, 지그와 탐 자 등의 장치구성을 보여주고 있다.

그림 3-37 CR CSP 실험 시편

- 55 -

그림 3-38 음 를 이용한 비 괴 노화진단 실험장치

외국의 경우 이와 같은 장비의 상용화가 활발히 진행되고 있으며 본 연구에서는 일본의 미쓰

비씨 선공업의 장비를 구입하여 연구에 활용하 다. 본장비의 사진은 그림 3-39에 나타내었

다. 그림 3-40과 3-41은 이 장비의 실행화면의 시이다.

그림 3-39 미쓰비씨의 음 노화진단장치

- 56 -

그림 3-40 노화진당장비의 실행화면

(입력창)

그림 3-41 노화진단장비의 실행화면

( 형분석 창)

그림 3-42와 표 3-4는 시편의 노화년수가 10년에서 60년 까지 변화할 때의 시편 표면을

하는 음 의 송속도를 나타낸 것이다. 노화년수가 증가할 수록 음 의 속도 역시

선형 으로 증가하고 있다. 이상의 결과를 바탕으로 음 를 이용한 노화정도를 평가할 수

있었다.

0 10 20 30 40 50 60Time(year)

1600

1700

1800

1900

2000

2100

Vel

ocity

(m/s

)

그림 3-42 노화년수에 따른 음 의 속도

- 57 -

노화연수

(year)

실험

횟수(No)

0 10 20 30 40 50 60

1 23.36 23.09 22.94 22.78 22.58 22.56 22.28

2 23.34 23.04 22.83 22.73 22.67 22.66 22.26

3 23.48 23.14 22.86 22.83 22.56 22.57 22.25

4 23.41 23.18 22.87 22.83 22.75 22.54 22.27

5 23.40 23.11 22.94 22.79 22.68 22.52 22.30

6 23.32 23.09 22.90 22.76 22.64 22.57 22.42

7 23.56 23.14 22.88 22.82 22.68 22.56 22.32

8 23.30 23.07 22.95 22.81 22.60 22.53 22.25

9 23.35 23.06 22.90 22.88 22.56 22.54 22.28

10 23.40 23.04 23.02 22.82 22.54 22.48 22.30

11 23.50 23.13 22.87 22.92 22.53 22.51 22.38

12 23.68 23.07 22.94 22.90 22.57 22.46 22.27

13 23.53 23.06 22.90 22.81 22.65 22.52 22.38

14 23.51 22.95 22.77 22.90 22.63 22.57 22.32

15 23.51 23.04 22.88 22.91 22.64 22.49 22.34

16 23.54 23.12 22.91 22.84 22.69 22.48 22.37

17 23.39 23.14 22.83 22.90 22.62 22.45 22.34

18 23.38 23.11 22.87 22.91 22.55 22.50 22.31

19 23.62 23.11 22.90 22.86 22.58 22.42 22.34

20 23.42 23.10 22.78 22.86 22.60 22.51 22.38

21 23.54 23.18 22.94 22.76 22.67 22.58 22.43

22 23.62 23.17 23.03 22.84 22.67 22.49 22.37

23 23.59 23.00 22.86 22.85 22.67 22.52 22.45

24 23.60 23.18 22.79 22.87 22.70 22.45 22.40

25 23.62 23.15 22.93 22.79 22.64 22.46 22.23

26 23.56 23.17 23.02 22.82 22.65 22.47 22.31

27 23.50 23.15 22.93 22.89 22.70 22.42 22.34

28 23.43 23.16 22.94 22.83 22.76 22.51 22.27

29 23.54 23.11 23.00 22.85 22.70 22.50 22.19

30 23.47 23.13 23.01 22.87 22.68 22.47 22.28

31 23.41 23.09 22.91 22.80 22.71 22.48 22.18

32 23.40 23.05 22.99 22.71 22.67 22.45 22.37

33 23.46 23.16 22.97 22.74 22.64 22.49 22.24

34 23.53 23.15 22.96 22.73 22.67 22.52 22.30

35 23.49 23.18 22.92 22.85 22.54 22.44 22.35

36 23.43 23.07 22.98 22.79 22.70 22.47 22.40

37 23.51 22.97 22.93 22.73 22.67 22.46 22.16

38 23.49 23.21 22.95 22.84 22.72 22.47 22.27

39 23.33 23.15 23.03 22.83 22.72 22.45 22.28

40 23.54 23.17 22.83 22.86 22.75 22.48 22.38

평균 23.48 23.11 22.92 22.83 22.65 22.50 22.31

표 3-4. 열화년수에 따른 이블(class1E)에서의 도달시간

- 58 -

제 5 시험 차서 작성

국내외 산업규격을 분석하여 본 연구에서 수행한 각종 시험방법에 한 시험 차서를 작성

하 다. 시험 차와 분석은 주로 ASTM 규정을 따르도록 하 으며 시험성 서와 함께 공인

된 문서로 활용할 수 있도록 작성하 다.(첨부)

- 59 -

제 4 장 목표달성도 련분야에의 기여도

제 1 연구개발의 목표 달성도

1. 1차년도 : 설계기 사고 앙제어 시스템 운용

세부연구목표 주요 연구개발 실가 치

(%)

연구목표

달성도

(%)

비고

설비운 자동화 연동시

스템 운용

설계기 사고 시험설비의 앙제

어시스템 자동화 구축 운용

능력 확보

20 100설비 무인자동

화 구축완료

온도/압력 Profile 모니터

링 제어

시험챔버내의 온도, 압력, 화학살

수 조건 모니터링 제어 완료20 100

제어 모니

터링 기술 확

립

TGA, DMA, 기오 을 이용한 열 노화시험 수행 비교분석

TGA, DMA, UTM을 이용한 열

분석기법 확립 실험 완료20 100 -

분석 Program 제작운 소 트웨어 구입 분석

로그램 작성10 100

소 트웨어 구

축

시험 분석 차서 작성TGA, DMA, UTM에 한 시험

차서 작성10 100 차서 완성

국내 폴리머재료에 한

활성화에 지 도출

국내 폴리머 재료의 활성화에

지 도출 비교평가20 100 -

총계 100 100

- 60 -

2. 2차년도 : 비 괴 시험에 의한 열 노화 특성 비교

세부연구목표 주요 연구개발 실가 치

(%)

연구목표

달성도

(%)

비고

시험시편 특성 분석 시

험장비 설치

시험 장비를 구축후 시험시편 선

정 특성분석 실시20 100

시험시편

장비 설치완료

인덴터를 이용한 노화분석

비 괴 검사법 압입시험에 의

한 인덴터법를 사용한 노화진단

기술 확립

30 100시험에 의한

데이터 확보

음속측정기를 이용한 노화

분석

음 를 이용한 음속측정을 통

하여 노화분석 기술 확립30 100 시험장비구축

시험 차서작성비 괴 노화진단법에 한 자

료 구축 차서 작성20 100 차서 완성

총계 100 100

제 2 련분야에의 기여도

국내에서 자체 으로 원 기기 검증을 수행할 수 있는 기술 인 기반을 확립 수 있게 되었으며

원 기기 련 기술의 외국 의존도를 탈피하여 국내 원 기기 생산업체들이 기기검증을 해외

에 의뢰하지 않고 국내에서 수행함에 따라 시험료의 형태로 지출되는 외화를 감할 수 있게

되었다. 특히, 비 괴 노화진단 기술 등 개발된 기술은 원자력 발 소 장 원 기기 생

산업체에 이 되어 제품개발 발 소 정비 기술 향상에 기여하게 되어 국제 경쟁력 확보

하고 국내 기술력으로 동남아시아 국 등 외국에 기기검증 기술을 수출 할 수 있는 발

을 마련하게 되었다. 한 안 문제가 요시 되어야 하는 원 분야에서 국내 원 에서 발생

되는 안 련 문제를 자체 으로 해결할 수 있는 기술력을 확보하는데 기여하 으며 이로 인

하여 원자력 발 소에 한 정 인 사회 인지도를 확보할 수 있는 기틀을 마련하 다.

- 61 -

제 5 장 연구개발결과의 활용계획

가. 기술 측면

국내에서 자체 으로 원 기기 검증을 수행할 수 있는 기술 인 기반을 확립

원 기기 련 기술의 외국 의존도를 탈피

비 괴 노화진단 기술 등 개발된 기술은 원자력 발 소 장 원 기기 생산업체에 이 되어

제품개발 발 소 정비 기술 향상에 기여하게 되어 국제 경쟁력 확보

국내 원 에서 발생되는 안 련 문제를 자체 으로 해결할 수 있는 기술력을 확보

나. 경제 측면

국내 원 기기 생산업체들이 기기검증을 해외에 의뢰하지 않고 국내에서 수행함에 따라 시험료의

형태로 지출되는 외화를 감할 수 있음

지 까지 국내 원 기기 생산업체들이 지출했던 과도한 기기 검증 시험료가 어들어 제품 생산비

의 감효과를 가져오게 됨

이에 따라 안 성이 확보되고 제품경쟁력이 있는 원 기기가 국내업체에서 생산됨에 따라 국내 원

기기의 국산화 비율이 높아지게 됨

외국제품을 사용하지 않고 국내제품을 사용함에 따라 수입 체효과를 가져옴

기술력의 향상에 따라 동남아시아 국에 기기검증을 수출할 수 있게 됨

연구개발을 통해 축 된 기술을 국내 생산업체에 이 하여 신제품 개발과 기술개발에 지원을 할 수

있게 됨

다. 사회 인 측면

원자력 련한 안 성 문제를 자체 해결함에 따라 원자력 발 소의 정 인 사회 인 인지도를 확

보

기기검증 련한 기술자립을 이루어 국제 인 지 향상

라. 활용방안

앙제어시스템을 효율 으로 운 하여 설계기 사고 시험을 안 하고 신뢰성 있게 수행, 국외 발

소의 온도/압력 Profile을 용하여 동남아시장까지의 수출을 가능하게 함

기존의 UTM법에 의한 열화특성을 TGA, DMA법에 의한 시험과 비교하여 검토함으로 해서 활성

화에 지 측정을 비롯한 열화특성 분석을 효율 이고 신뢰성 있게 수행

국내의 원 기기 생산업체의 재료에 해 열화특성을 자료화하는 계기를 마련하여 외국 Database에

의존하지 않고 자체 실험결과에 의해 기기 검증 수행 가능

원 용 cable 등 비 속 재료의 비 괴 노화 진단 기술을 상용화 시키기 한 제품개발

보유기술의 검증 신뢰도 향상을 통하여 장 용

열 노화 특성을 NDT 방법에 의한 결과와 비교하여 계속운 에 한 기 자료를 제공할 수 있으

며 차후에 Condition Monitoring의 자료로 활용

- 62 -

제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보

가. Southwest Research Institute, Document No.06-8680-TP, "Nuclear Component

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나. H.M. Hashemian, "Aging of Nuclear Plant Resistance Temperature Detectors," June

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Determination and Report of Procedure

29. ASTM D 4440-2001, Standard Test Method for Plastics: Dynamic Mechanical Properties:

Melt Rheology

30. ASTM D 5279-2001, Standard Test Method for Plastics: Dynamic Mechanical Properties:

In Torsion

- 66 -

부록( 차서 모음)

A. UTM 시험 차서

B. 경도 시험 차서

C. 연 항 시험 차서

D. 온습도 환경시험 차서

E. DBE 시험 차서

F. TGA 시험 차서

G. DMA 시험 차서

H. 유 강도 시험 차서

I. 음 노화진단기 시험 차서

주 의

1. 이 보고서는 과학기술부에서 시행한 원자력연구개발 장기계획사업의 연구보고서

입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 과학기술부에서 시행한 원자력연구개

발 장기계획사업의 연구결과임을 밝 야 합니다.

3. 국가과학기술 기 유지에 필요한 내용은 외 으로 발표 는 공개하여서는

아니됩니다.