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박리에 저항하는 핵융합로의 보호층 메커니즘 해명

도쿄공업대학

이미지: (a) 주사 투과 전자 현미경 이미지; (b) 알루미늄과 산소의 에너지 분산형 X선(EDX) 원소 매핑 이미지; (c) EDX 분석을 통한 티타늄, 이트륨, 지르코늄의 원소 매핑 이미지더보기

Credit: Associate Professor Masatoshi Kondo

핵융합로, 고속증식로, 태양열발전소는 환경에 미치는 영향이 적고 자원의 제약이 없는 발전소로 개발되고 있습니다. 이들 발전소는 고온에서 가동되고 열전달이 크기 때문에 과학자들은 액체금속(열전달 성능이 우수함)을 냉각제로 사용하는 부품을 연구하고 있다. 액체금속 블랑켓(코어에 설치된 금속벽)과 액체금속 전환기(열을 받아 배기가스를 배출하는 장치)는 핵융합로의 가장 중요한 구성요소 중 하나로 혁신적인 에너지 변환 장치로 주목받고 있다. 그러나 고온 액체 금속과 화학적으로 호환되는 구조 재료를 선택하는 것은 어려운 일이었습니다.

도쿄 공업 대학의 곤도 마사토시 부교수는 액체 금속 냉각제를 사용하여 주요 구조 재료의 화학적 부식 저항성에 대한 연구를 수행했습니다. 그는 부식의 원인이 액체 금속과 접촉하는 재료에서 금속 부품의 침출과 액체 금속과 강철 재료의 합금이라는 것을 발견했습니다. 그런 맥락에서 그는 액체 금속 부품의 구조 재료 표면에 치밀한 보호 산화물 층을 형성함으로써 부식을 크게 줄일 수 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 부식을 억제하는 안정적인 보호 산화물 층의 형성은 액체 금속 기반 부품을 현실화하는 데 핵심입니다.

곤도 부교수가 이끄는 공동 연구팀은 요코하마국립대학교, 국립핵융합과학연구소와 공동으로 ODS(산화물분산강화) FeCrAl 합금이 α-Al2O3(알파 알루미나) 층을 형성한다는 사실에 주목했다. 콤팩트한 구조, 층 성장을 촉진할 수 있는 요인과 층이 기판에서 벗겨지는 것을 방지하는 메커니즘을 확인했습니다.

α-Al2O3 층은 고온 액체 금속 환경에서 뛰어난 보호 기능을 제공합니다. ODS Fe15Cr7Al ​​합금은 고온 강도가 뛰어나며 차세대 발전소를 위한 강력한 잠재적 구조 소재입니다. 합금은 공기 중에서 1000°C에서 10시간 동안 산화되어 α-Al2O3 층을 형성할 수 있습니다. 그림 1은 ODS Fe15Cr7Al ​​합금에 형성된 α-Al2O3층의 단면 현미경 사진과 그 구성 원소의 분포를 보여준다. 두께는 사람 머리카락 굵기의 약 1/80인 1.28마이크로미터에 불과하지만 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이 알루미늄과 산소가 균일하게 분포된 매우 컴팩트한 구조를 갖고 있습니다. 동시에 연구팀은 그림 1(c)와 같이 α-Al2O3층에 Ti, Y, Zr 등 반응성 원소의 산화물이 형성되는 것을 확인했다. 이는 ODS Fe15Cr7Al ​​합금이 미세 구조에 작은 산화물 입자로 분산되어 있는 반응성 원소가 층으로 이동하여 산화물을 형성하기 때문입니다. 여러 유형의 FeCrAl 합금에 의해 형성된 산화물 층의 미세 구조와 성장 속도를 비교하면 반응성 원소가 없는 합금은 층에 이러한 산화물을 형성하지 않고 층 성장이 느리다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 길쭉한 반응성 원소 산화물은 층 성장을 촉진하고 장벽 특성을 향상시키는 "산소 전용 확산 경로" 역할을 합니다(그림 2).

보호층은 벗겨짐에 대한 저항력이 있어야 합니다. 이번 연구에서는 ODS-FeCrAl 합금 위에 형성된 α-Al2O3층을 날카로운 바늘로 긁고 벗겨내는 데 필요한 힘의 크기를 측정하기 위해 스크래치 테스트를 실시했다. 결과는 ODS-FeCrAl 합금이 우수한 접착 특성을 가지고 있음을 보여줍니다. α-Al2O3 층이 박리 저항성을 갖게 되는 메커니즘은 그림 2에 요약되어 있다. 먼저, 기판에서 층쪽으로 형성된 반응성 원소의 산화물이 층의 미세구조를 마치 텐트를 고정하는 못처럼 단단히 붙잡고, 접착력 향상에 기여합니다. 이를 페깅 효과라고 합니다.