The nuclear grade graphite is the potential candidate materials for the in-core components of the very high temperature gas-cooled reactor (VHTR). Therefore, understanding and evaluation of the strength and fracture toughness for various grades of graphite at operating conditions are essential for design and operation of the reactor. Currently, most of the nuclear graphite data available for the design of VHTR are measured at room temperature. Thus, only limited data are available on the high temperature and the oxidized conditions. Furthermore, no data are yet available to examine the possible decrease in the fracture toughness due to the increase in the strength with temperature after oxidation. In this study, we performed the 3-point bending tests for the selected nuclear graphite oxidized by 0 to 15 %. Specimens were pre-oxidized and tested at 600℃ which is in the chemical oxidation regime and corresponds to helium coolant inlet temperature near the core support structure. The fracture toughness values were measured by 3-point bending test at the room temperature and at 600℃ at 700℃ in nitrogen environment for the oxidized specimens. Test results were discussed in view of the differences in grain size, pore size, and microstructure. We investigated on effects of temperature and oxidation on fracture toughness. Comparing the same manufacturer, the difference in grain size affects the increase rate of fracture toughness with temperature. Increase rate of fracture IG-430 is higher than IG-110, and NBG-17 is higher than NBG-18 at 600℃. As the proximity of pore makes primary crack to jump one pore to next pore as oxidation progresses, normalized fracture toughness is exponentially decreased by weakening effect. We considered the effects of oxidation and temperature. Since the fracture toughness is increased by thermal expansion of the grain at high temperature, increasing effect of fracture toughness shows up at a little oxidation level. Increasing effect is called "High temperature effect". However, The high temperature effect with the weight loss is decreased by accommodation of thermal expansion of pores. Finally, we suggested correlation between fracture toughness and weight loss of nuclear graphite based on the all experimental data. This correlation is applicable for other grade graphites at the limited condition.
원자력급 흑연은 열전도도가 좋고, 녹는점이 높으며 비 산화 분위기에서 화학적으로 매우 안정하고 고온에서 기계적 성질이 좋다. 또한 중성자 감속효과가 매우 좋다고 알려져 있다. 이런 특성들로 인해 원자력급 흑연은 VHTR 노심내에서 구조재료 뿐만 아니라 감속재, 반사체의 역할을 동시에 수행하게 된다. 지금까지 원자력급 흑연은 고온에서 파괴인성 테스트라 던지 아니면 산화 후에 상온에서 파괴인성 테스트는 많이 연구되어 왔지만 산화 후에 고온에서 파괴테스트 하는 실험은 수행 되지 않았다. 그래서 본 연구는 산화 후에 고온에서 파괴테스트를 하여 실제 가동 원자로에 더 근접한 환경을 조성하였다.
고온에서 실험 환경을 만드는 것은 어려움이 많다. 왜냐하면 고온 퍼니스 설계시 퍼니스 안의 환경을 비 산화 환경으로 모사해야 되는데 퍼니스가 커질수록 외부에서 공기가 들어올 확률이 높아진다. 또한 내부의 온도 조절이 어렵게 되어 고온 파괴실험이 어려워진다. 그래서 표준 시편보다 작은 소형 시편으로 파괴 실험을 수행하였다. 소형 시편실험 결과를 보면 표준시편에 비해서 신뢰성이 떨어지지만 일반적인 세라믹 재료에 비해서는 더 높은 값을 보였기 때문에 소형 시편으로 실험을 수행할 수 있었다. 테스트 재료는 도요탄소강에서 제작된 IG-110, IG-430 두 재료와 SGL 카본에서 제작된 NBG-18, NBG-17 총 4개의 재료를 사용하였고, 비 산화 분위기 모사를 위해 비활성 가스인 질소 가스를 10L/min 으로 퍼징 시켰다. 또한 산화 시편을 만들기 위해 균질하게 산화되는 chemical regime 온도인 600℃ 에서 산화를 시켰다. 3점 굽힘 시험을 통해 파괴인성 값을 측정하였고, ASTM RRT 테스트 절차에 따라 계산되었고 최대 로드값을 넣어서 계산하였다.
고온에서 파괴 인성 결과 값은 4가지 재료 모두 상온에 비해 고온에서 파괴인성 값이 증가하는 것으로 나타났다. 고온에서 파괴 인성이 증가하는 이유는 원자력급 흑연 제조시 2800℃ 이상의 높은 온도에서 냉각시켜서 흑연이 제조되는데 냉각시키는 동안 그레인이 압축하게 되고 바인더상에 인장응력이 걸리게 된다. 그러나 고온에서는 그레인이 팽창하게 되고 인장응력이 압축응력으로 변하게 된다. 이 압축응력은 크랙이 진전할 때 방해하는 역할을 함으로써 파괴인성 값이 증가된다고 판단된다. 그리고 그레인 사이즈가 작을수록 접촉면적이 많아져서 열팽창 계수가 증가하게 된다. 그로인해 더 많은 압축응력이 바인더 상에 걸리게 되어 그레인 사이즈가 작은 재료 일수록 더 많이 파괴인성 값이 증가하게 된다. 같은 회사에서 제조된 IG-110과 IG-430을 비교했을 때 그레인 사이즈가 작은 IG-430이 상온에 비해 고온에서 파괴인성 값이 더 많이 증가를 하였고 또한 더 작은 NBG-17이 NBG-18보다 더 많이 증가했다는 것을 확인할 수 있었다.
0 ~ 15% 정도 산화 시킨 시편을 상온과 고온 (600℃, 700℃)에서 같은 방법으로 실험을 수행하였다. 결과를 보면 4가지 재료 모두 지수함수적으로 파괴인성 값이 감소함을 알 수 있었다. 흑연이 산화가 되면 포어 사이즈가 커지고 새로운 포어가 생성이 된다. 그로인해 포어들 사이의 접근성이 가까워지고 또는 포어끼리 연결이 돼서 크랙이 포어들 사이로 쉽게 점프를 할 수 있는 weakening effect가 발생된다. 그레인 가장 큰 NBG-18이 가장 큰 감소율을 보였고, 그레인이 가장 작은 IG-430이 가장 작은 감소율을 보였다. 그레인이 큰 흑연이 그레이 작은 흑연보다 더 국부적으로 산화가 되기 때문에 크랙이 쉽게 점프해서 갈수 있기 때문에 더 많은 감소를 보였다고 판단된다.
고온에서 파괴 인성 증가와 산화된 시편의 파괴 인성 감소 효과를 동시에 관찰한 결과 초기 산화 시에는 고온에서 파괴인성 값이 증가하는 영향이 나타나지만 10%이상의 산화 시에는 고온에서 파괴인성 값이 증가하는 영향이 거의 사라졌음을 확인할 수 있었다. 이것은 산화가 증가하면서 포어사이즈가 증가하고 새로운 포어가 생성이 되는데, 이때 이 포어들이 그레인의 열팽창을 흡수하기 때문에 산화가 진행될수록 이런 영향들이 감소하다가 어느 정도 산화가 되면 없어지는 것으로 판단된다. 이것은 10% 이상 산화 시에는 상온에서의 파괴인성 데이터 값이 고온에서 파괴인성 데이터 값을 포함할 수 있기 때문에 힘들게 고온에서 실험을 안하더라도 상온에서 값만으로도 고온에서 값을 예측할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 2% 내외 산화부근에서는 고온 영향이 존재하기 때문에 상온에서의 파괴 인성 값이 유지되는 현상이 관찰되었다. 그리고 SEM을 통하여 미세구조 관찰을 통해서 산화가 진행되면서 포어 사이즈 증가와 포어의 생성을 관찰할 수 있었다.
우리가 실험한 모든 데이터를 바탕으로 파괴인성 값과 산화정도에 따른 관계식을 유도를 하였다. 이식은 제한된 조건에서 다른 흑연들에도 적용이 되는 것을 확인할 수 있었고 이식을 통해 다른 원자력급 흑연의 산화에 따른 파괴인성 값을 미리 예측 가능할 것이라 판단된다.
