The experimental study of oxidation behavior of the graphite structure and the SiC layer in TRISO was performed to estimate the safety relevant phenomena for Very High Temperature Reactors (VHTR) during air-ingress and steam-ingress postulated accidents.
For the integrity of oxidized graphite during the air-ingress accidents we performed the experiments and the modeling on the strength degradation of oxidized graphite structures. We measured the compressive strength and the buckling strength of oxidized IG-110, IG-430, and NBG-10 graphite columns. We derived an empirical straight-line formula to estimate the buckling strength. The formula is expressed in terms of a single parameter, slenderness ratio over the intersection between compressive and buckling strength so that it may be applicable to any type-graphite column.
The experimentally derived Knudsen relation with a corrected burn-off in the present study is applicable for predicting the strength degradation of the graphite column which is oxidized in Zone 1 and Zone 2. The strength degradation of the graphite column oxidized in Zone 3 can be evaluated by developing the empirical straight line formula.
The combination of the empirical straight-line formula and the Knudsen relation with a corrected burn-off can enable us to predict the strength degradation of a graphite column with oxidization in Zones 1, 2 and 3. The strength of the oxidized graphite column is dependent on the initial strength and burn-off, even though the graphite columns have the different dimensions and the different failure modes. The strength degradation depends on two parameters, a corrected burn-off and a slenderness ratio. We developed and validated a unified model for the strength degradation of oxidized graphite structure.
We introduced the concept of the f-value, which is defined as the fraction of the surface reaction to the total reaction. The fraction of the maximum allowable burn-off for the integrity of the support structures was estimated as 40% in GT-MHR design.
For the integrity of the SiC layer during the steam-ingress accidents we investigated the mechanisms of SiC oxidation and volatilization. We performed SiC oxidation experiments with the specimens of CVD β-SiC and fused silica in the high temperature steam environments over the temperature range of 1100 to 1400 °C. We separately measured the kinetics parameters of volatilization reaction. The logarithmic volatilization rate is proportional to temperature. The effect of mass transfer was negligible for both of CVD β-SiC and fused silica in the present experimental range. The activation energies are 55.7 ± 3.75 kJ/mol for CVD β-SiC and 71.9 ± 5.92kJ/mol for fused silica. The porosity of the porous oxide layer was measured as 0.6 using the porosity measurement technique.
We proposed the two-layer (dense layer and porous layer) model based on the real observation. We set up the relationship between total weight loss and SiC thickness. We found out that the ratio of the weight loss by volatilization to the total weight loss is a function of the porosity of the porous oxide layer. The total weight loss is expressed in terms of SiC recession.
We suggested the two-layer based SiC recession model by combining the two-layer model and the volatilization kinetics. The SiC recession model shows good agreement with experimental results. The proposed model estimated that the SiC layer is totally removed around 60 hours at 1400 °C with the porosity of the porous layer of 0.6. Through sensitivity analysis we found out that the conventional SiC oxidation/volatilization models may considerably underestimate the SiC recession rates, which do not consider the effect of porosity on SiC recession rates.
The two-layer based model derived under the steam environment can be used for the estimation of the recession rates of SiC cladding used in the LWR application.
초고온가스로는 전기와 수소 생산을 동시에 할 수 있는 개념 설계 단계의 원자로다. 후쿠시마 사고 이후 높은 수준의 안전성이 미래의 원자로에서 있어서 필수적으로 요구된다. 잘 입증된 안전해석은 원자로 안전을 위해서 필수적이다. 이를 위해서는 안전 관련 현상들의 조사와 입증을 필요로 한다. 전문가 집단은 냉각파이프 파단 사고 이후 발생할 수 있는 공기 및 증기 침투 사고를 중요한 사고로 규정하고 있고, 이와 관련된 현상은 흑연 구조체의 산화와 흑연 연료 요소의 산화가 있다.
흑연 구조체는 산화 반응에 의해서 지속적으로 피해를 입고 이로 인해 붕괴될 위험성이 있다. 흑연 연료 연소의 산화는 내부 실리콘 카바이드 피복층의 산화를 야기할 수 있고, 이는 잠재적인 핵분열 생성물의 누출과 연관된다. 본 연구에서는 초고온가스로의 중대사고 해석을 위해, 공기 및 증기 침투 사고에 관련된 흑연 구조체 및 실리콘 카바이드 피복층의 산화를 연구하였다.
첫째, 산화된 흑연 구조체의 건전성 연구를 위하여, 산화된 흑연 구조체의 강도 저하 모델을 개발하고 실험적으로 입증하였다. 강도 저하 모델은 스켈링 파라미터로서 세장비를 선택하여 흑연 구조체의 형상에 관계없이 적용가능하며, 산화 영역 (Zone 1~3)에 관계없이 적용 가능한 관계식으로 구성되었다. 이를 바탕으로 산화된 흑연 구조체의 파괴 예측 모델을 개발하였다. GT-MHR 의 설계를 바탕으로 건전성을 분석하여 최대 허용 가능한 burn-off가 40%임을 계산하고 실험적으로 확인하였다.
둘째, 1100~ 1400°C의 증기 환경에서 실리콘 카바이드 및 용융 실리카를 산화/휘발 실험을 수행하였다. 산화/휘발의 결과로 실리콘 카바이드 층 위에 유리 실리카층이 형성되고 그 위에 다공성 실리카층이 형성되는 것을 관찰하였다. 이러한 관찰을 바탕으로 이층 모델(Two-layer model)을 개발하였고 실험적으로 입증하였다. 모델로부터, 전체 중량과 SiC 후퇴 사이의 관계식을 세웠고 이를 바탕으로 휘발 반응을 분리하여 휘발 반응 매개 변수를 측정하였다. 휘발반응의 활성화 에너지는 실리콘 카바이드의 경우 55.7±3.75 kJ/mol, 용융 실리카의 경우 71.9±5.92로 측정되었다. 전지수 인자는 각각 8.92와 17.8 (mg/cm2hr)이다. 본 실험 결과 및 이전 연구의 실험 결과와 개발된 모델을 비교한 결과 모두 표준 오차 이내로 잘 맞음이 확인 되었고, 기존 모델의 경우 다공성 실리카 층의 기공도 효과에 대한 고려 없이는 SiC 후퇴를 심각하게 과소 평가할 수 있음이 확인 되었다. 또한 개발된 모델은 초고온 가스로의 실리콘 카바이드 피복층뿐만 아니라, 경수로의 실리콘 카바이드 피복층의 후퇴에 관해서도 적용이 가능하다.
