The air-ingress event by a large pipe break is an important accident considered in design of very high-temperature gas-cooled reactors (VHTR). Core collapse prediction is a main safety issue. Graphite oxidation model and structural failure model are technically required.
In this study, one main target is to develop graphite oxidation model based on Arrhenius model for graphite oxidation reaction. Kinetic parameters of IG-430 were measured. Temperature was controlled at the range of 540 to 800 ºC to estimate activation energy. Oxygen concentration was controlled over the range of 0 to 0.34 mole fraction to find order of reaction. It turns out that activation energy Ea was 258.15 ± 1.5 kJ/mol and order of reaction was 0.37 ± 0.04.
The other main target is to develop the structural failure model. Graphite support column is important for VHTR structural integrity. Graphite support columns are under the axial load. Critical strength of graphite column is related to slenderness ratio and bulk density. Through compression tests for fresh and oxidized graphite columns we show that compressive strength of IG-110 was 79.46 MPa. And, the buckling strength of IG-110 column was expressed by the empirical formula.
$\sigma_0 = \sigma_{straight-line} -C\frac{L}{r}$
$\sigma_{straight-live} = 91.31 MPa, C=1.01$
The results of uniform and non-uniform oxidation tests show that the strength degradation of oxidized graphite column is expressed in the following non-dimensional form.
$\frac{\sigma}{\sigma_0} = exp(-kd), k=0.111$
Also, from the results of the uniform oxidation test with a complicated-shape column, we found out that the above non-dimensional equation obtained from the uniform oxidation test is applicable to a uniform oxidation case with a complicated-shape column.
초고온가스냉각로에 대해서 다양한 분석이 수행되고 있는데, 이 중 공기 침투(Air-ingress)에 의한 사고가 주요한 사고로 예상되고 있다. 공기 침투 후 공기 중에 포함된 산소 분자가 원자로 내부의 흑연 구조물과 매우 빠른 산화 반응을 일으키게 된다. 이러한 반응에 의하여 VHTR 노심을 지지하고 있는 하부지지구조체가 손상을 입게 되고 이로 인하여 노심의 붕괴 현상까지 초래할 수 있다.
이러한 사고 분석을 위하여 필요한 사항은 다음과 같다.
1) 흑연 산화 반응 모델
2) 흑연 구조 파괴 모델
지금까지 많은 연구자들에 의하여 두 가지 모델이 연구되어 왔다. 하지만, 흑연 구조 파괴 모델의 경우 단순히 특정 온도 영역에서의 기계적 특성 변화에 주목을 하였고, 모든 온도영역에서 적용될 수 있는 흑연 구조의 파괴 모델은 현재까지 개발되지 못하였다. 본 연구에서는 IG-430 흑연의 산화 반응을 나타낸 모델과 모든 온도영역에서 적용될 수 있는 하부지지구조체의 흑연 지지 기둥의 파괴 모델의 개발을 목적으로 하였다. 본 연구에서는 이러한 모델을 개발하기 위해 화학 및 기계 특성 실험을 바탕으로 이론적인 모델을 완성하였다.
먼저 흑연 산화 반응은 이미 많은 연구가 수행된 아레니우스 모델을 바탕으로 600 ºC의 흑연 산화 반응 가스를 가스 분석기로 분석하여 화학계수를 결정하여 IG-430의 산화 반응 계수를 결정하였다.
흑연 지지 기둥의 경우, 공기침투시 산화반응에 의하여 세장비(slenderness ratio)가 변하게 된다. 기둥의 좌굴임계강도(buckling strength)는 세장비의 증가에 따라 감소한다. 먼저, 산화되지 않은 흑연 시편을 이용하여 압축 강도, 좌굴강도(buckling strength) 실험식 및 임계세장비(critical slenderness ratio)를 구하였다. 흑연이 산화될 때 600 ºC 이하의 영역에서는 체적 밀도(bulk density)가 주로 변하고 1000 ºC이상의 영역에서는 주로 흑연의 형상만 변하는 것으로 알려져 있다. 먼저, 600 ºC 영역에서 산화 실험 및 압축 실험으로 Knudsen관계식을 바탕으로 체적 밀도 변화에 따른 강도 변화를 얻었다. 새로이 만든 물을 이용한 밀도 측정 방법을 이용하여 1050 ºC 영역에서 산화 실험 및 압축 실험을 하여, 앞서 산화되지 않은 시편을 이용한 실험에서 얻은 세장비에 대한 좌굴강도 실험식을 바탕으로 흑연 기둥의 형상 변화에 따른 강도 변화식을 얻었다. 두 영역에서의 식을 조합하여 모든 온도영역에서의 적용 가능한 흑연기둥의 산화에 따른 강도 변화식을 얻었다. 그리고 복잡한 형상을 가진 흑연 시편을 이용하여 응력 집중현상 및 체적 밀도 변화에 따른 강도 변화 관계식의 적용 가능성을 알아 보았다.
결론적으로, 본 연구를 통해서 얻어진 흑연 산화 반응 모델 및 흑연 구조 파괴 모델은 실제 공기 침투 사고시 정확한 산화 반응 및 구조 강도를 예측하게 함으로써 초고온가스로의 안전해석에 유용하게 사용될 것이다.
