All commercial light water reactor (LWR) fuel cladding is currently made from zirconium alloys that have served the industry well over a 50-year time period. Even though the alloys have shown good performance in LWR environments, in accident conditions zirconium alloys would suffer from severe oxidation with signif-icant amount of the generation of hydrogen. For this reason, there has been a strong motivation to develop new materials or modify the existing materials for improving their performance. This study aims at developing an optimized anodization technique for fuel cladding materials in pressurized water reactors (PWRs). An anodiza-tion technique for metallic elements will be applied to zirconium (Zr) alloys that have been used as fuel cladding materials. The anodization technique is to form a nano-structured oxide (passive film) on a metallic material by applying a high electrical voltage in a solution. We have presented a mechanism to explain why the resulting oxide morphology becomes a porous or a tubular nanostructure when a metal is electrochemically anodized. Based on the model, we demonstrate that porous or tubular zirconium oxide nanostructures can be controllably fabricated by anodization of zircaloy. This mechanism was experimentally demonstrated through the anodiza-tion of zircaloy, and zirconium oxide layers with completely nanoporous, completely nanotubular, and interme-diate morphologies between a nanoporous and a nanotubular structure were controllably fabricated. Since pro-tective surface oxide is formed by the anodization, it is expected that the nano-structured surface oxide can prevent the materials from further oxidation in the primary water.
원자력 발전소에서 사고가 발생할 경우 사고의 정도를 훨씬 더 심각하게 만드는 수소폭발(hydrogen explosion)이나 원자로 안정성을 크게 훼손하는 핵연료 피복관의 수소취화 (hydrogen embrittlement) 등은, 핵연료 피복관으로 사용되고 있는 지르칼로이의 주요성분인 지르코늄 (Zr)이 물과 반응하여 산화되면서 수소가 발생하기 때문에 일어난다. 피복관에서의 수소발생을 저감하기 위하여, 지르칼로이 피복관 표면에 SiC 세라믹 등을 코팅하거나 피복관 자체를 SiC 복합체 등으로 바꾸려는 연구들이 이루어지고 있다.
본 연구는, 지르칼로이 피복관의 표면을 미리 산화시켜 표면에 산화막 보호층을 만들어 피복관이 물이나 수증기에 의해 산화되지 못하게 함으로써 수소가 발생하는 것을 근본적으로 차단하거나 수소발생률을 현저히 줄이는 기술이다. 곧 위에서 언급한 지르코늄 산화반응을 미리 일으켜서 더 이상의 산화반응이 일어나는 것을 차단함으로써 수소를 발생하지 않게 또는 적게 발생하게 하기 위한 기술이다. 그러나, 지르칼로이 피복관의 표면에 균일하면서 충분히 두꺼운 산화막 (compact oxide layer)을 만드는 것은 불가능하다. 이는, Zr이 산화되어 ZrO2가 될 때 부피가 약 1.7배 정도 증가하게 되는데, 산화막의 두께가 두꺼워지면 부피팽창으로 인한 스트레스로 산화막에 균열이 발생하기 때문이다. 산화막에 균열이 발생하면 물이나 수증기가 산화막 내부의 지르칼로이 표면과 직접 반응을 하여 수소가 발생하게 된다.
본 연구에서는 양극산화 (anodization) 기술을 이용하여 피복관 표면에 나노기공구조를 가진 지르코늄 산화막을 만들어 이와 같은 문제를 해결하려 한다. 나노기공들은 지르코늄의 부피팽창으로 인한 스트레스를 상쇄시킬 수가 있어 균열이 없는 지르코늄 산화막을 만들 수 있다. 이와 같은 나노구조 지르코늄 산화막은 양극산화 방법으로 쉽고 빠르고 값싸게 대량생산 할 수 있다 따라서 본 연구에서는, 양극산화법을 이용하여 핵연료 피복관의 표면에 나노구조를 가진 지르코늄 산화막을 만들어 피복관이 물이나 증기와 반응하여 수소가 발생하는 것을 억제하고 더불어 수소취화가 일어나는 것을 방지하는, 새로운 개념의 핵연료 피복관을 제조하는 기술을 개발하고자 한다.
