The supercritical-carbon dioxide $(S-CO_2)$ Brayton cycle is being considered as alternative working fluid of energy conversion system replacing the conventional steam Rankine cycle in the next generation nuclear reactors (Gen-IV) such as sodium-cooled fast reactor (SFR) and other applications. In structural mate-rial point of view, material compatibility in $S-CO_2$ environment should be evaluated to assure the long-term integrity of the system. In this thesis study, corrosion and carburization behavior of chromia-forming alloys were investigated in high-temperature $S-CO_2$ environment for the application of $S-CO_2$ to the SFR. Ni-based alloys (Alloy 600 and Alloy 690) and high-Cr containing Fe-based alloy (Alloy 800HT) were corroded in $S-CO_2$ at $550-650^\circ C$ (20 MPa) for 1000 h. For all test alloys, superior corrosion resistance was observed by the formation of thin and continuous chromia $(Cr_2O_3)$ layer. Meanwhile, despite the presence of continuous chromia layer, an existence of carburized region as an amorphous C layer was identified at the chro-mia/matrix interface. In addition, below the amorphous C layer, Cr-rich $M_{23}C_6$ carbides were extensively formed in the matrix of Alloy 800HT but not in Alloy 600 or Alloy 690. It could be said that the carburiza-tion resistance in the matrix was strongly dependent on whether the matrix is Ni-based or Fe-based rather than Cr content since chromia layer was formed in all test conditions. It is important to mention that the ex-istence of Cr-rich $M_{23}C_6$ carbides in Alloy 800HT caused additional loss of ductility as compared to bulk aged specimens.
On the other hand, alumina $(Al_2O_3)$ layer is known to have a better corrosion and carburization re-sistance than chromia although it has various oxide types depending on exposure temperatures. Corrosion and carburization behavior of alumina-forming Ni-based alloy was evaluated in SFR-relevant $S-CO_2$ environment. First, in order to form alumina-forming Ni-based alloy, an Al-rich surface layer was developed on Alloy 600 by Al deposition and a subsequent high energy electron beam (EB) remelting. As a result of the EB surface treatment, an Al enriched (5-7 wt.%) micro-alloying zone (40 μm) was produced. When the EB surface-treated Alloy 600 was corroded in $S-CO_2$ at $600^\circ C$ (20 MPa) for 500 h, the surface oxide layer mostly consisted of chromia with small amount of transition alumina. In addition, a carburized region of an amor-phous C layer inter-mixed with the alumina was observed at the oxide/matrix interface similar to as-received Alloy 600. Meanwhile, when the EB surface-treated specimen was pre-oxidized in helium at $900^\circ C$ , α-alumina layer was formed on the surface, which showed superior corrosion and carburization resistance in $S-CO_2$ environment. Therefore, it could be said that the presence of Al-rich surface layer alone is not enough to provide sufficient corrosion and carburization resistance in $S-CO_2$ environment at $600^\circ C$ unless pre-oxidation at higher temperature is applied to form a more protective α-alumina on the surface.
Finally, for the better understanding of corrosion and carburization behavior in high pressure $S-CO_2$ environment (20 MPa), the effect of $CO_2$ pressure on those properties were also evaluated. Ni-based alloys (Alloy 600 and Alloy 690) and Fe-based alloy (Alloy 800HT) were corroded in high-temperature $CO_2$ (or $S-CO_2$) at 550-650 oC (0.1 and 10 MPa) for 1000 h. Combining with the results tested in 20MPa, following conclusions could be drawn. First of all, higher $CO_2$ pressure accelerated corrosion rate in terms of weight gain and oxide thickness while the same oxides were formed regardless of $CO_2$ pressure. In addition, carbu-rized region of the amorphous C layer was also formed at the oxide/matrix interface even in 0.1 MPa with increasing the thickness at higher $CO_2$ pressure. However, the accelerated corrosion and carburization kinet-ics are less than a factor of 2-3, which was not significant compared to pressure ratio up to 200. Moreover, for Alloy 800HT, the depth of precipitate-containing region (Cr-rich $M_{23}C_6$ carbides) was similar in all $CO_2$ pres-sures from 0.1 to 20 MPa, resulting in similar changes in tensile property at a given temperature. Those indi-cate that since the changes in mechanical property of chromia-forming alloys in $S-CO_2$ environment (20 MPa) were similar to those in lower $CO_2$ pressures, various test results from low $CO_2$ pressure could be uti-lized as a reference with limited number of high pressure tests for the system design of $S-CO_2$ cycle applica-tions.
소듐냉각고속로 (Sodium-cooled fast reactor, SFR) 시스템의 열효율 및 안전성을 향상시키기 위하여, 기존의 증기 싸이클 발전시스템을 초임계 이산화탄소 (Supercritical carbon dioxide, $S-CO_2$) 싸이클로 대체하고자 하는 연구가 미국 및 유럽을 비롯한 원자력 선진국의 주도로 진행되고 있다. 구조재료 측면에서는, $S-CO_2$ 환경에서의 재료 선정 및 장기안전성 확보를 위한 재료의 양립성 (부식 및 탄화 거동) 및 탄화에 기계적 특성 변화를 평가하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 부식저항성이 뛰어난chromia $(Cr_2O_3)$ 를 형성하는 3가지 재료 (Alloy 600, Alloy 690 및 Alloy 800HT)에 대하여 SFR $S-CO_2$ 가동 ($550^\circ C$, 20 MPa) 및 가속화 환경 (600 및 $650^\circ C$, 20 MPa)에서 부식 및 탄화거동을 평가하였다. 실험결과, 모든 실험조건에서, 얇고 연속적인 chromia 형성으로 인한 우수한 부식저항성을 나타내었지만, chromia 존재에도 불구하고, 산화막과 모재의 경계부분에 탄화로 인한 amorphous C layer가 형성하는 것을 확인하였다. 이렇게 형성된 탄화영역이 Fe 기저 합금 (Alloy 800HT)의 경우, 기저 내부로 확산하여 탄화물을 형성하고 추가적인 연신율의 감소를 유발하였다. 반면에 Ni 기저 합금 (Alloy 600 및 Alloy 690) 들의 경우에는, Ni기저의 낮은 C diffu-sivity와 solubility로 인하여 기저 내부로 C이 확산하지 못함에 따라 탄화물이 형성되지 않았으며 이로 인한 인장특성의 변화가 관찰되지 않았다. 이는 $S-CO_2$ 환경의 후보재료로, 기저 내부의 탄화저항성이 뛰어난 Ni 기저 합금을 적용해야 한다는 것을 의미한다.
Chromia 형성에도 불구하고, 산화막과 기저 사이에서 amorphous C layer가 형성 되었으므로, 일반적으로 chromia 보다 부식 및 탄화저항성이 뛰어나다고 알려진 alumina-형성 합금의 $S-CO_2$ 환경 양립성을 평가하였다. 그 결과, 상대적으로 낮은 온도 $(600^\circ C)$ 로 인하여, 연속적인 alumina가 형성되지 못하고 chromia가 지배적으로 형성되었으며 산화막과 기저 사이에 탄화영역이 존재하는 것을 확인하였다. 하지만, pre-oxidation을 통하여 안정적인 alumina $(Al_2O_3)$ 를 미리 형성하는 경우, 추가적인 $S-CO_2$ 노출에도 우수한 부식 및 탄화 저항성을 나타냈는데, 이는 SFR $S-CO_2$ 환경에 alumina-형성 합금의 적용을 위해서는 pre-oxidaiton이 필요하다는 것을 의미한다.
마지막으로, $S-CO_2$ 발전싸이클은 높은 효율을 위하여 고압 (20 MPa)에서 운전되기 때문에 압력에 따른 부식 및 탄화거동을 평가하였다. 그 결과, 상압 (0.1 MPa) 및 중간 압력 (10 MPa)에서도 20 MPa실험결과와 동일한 산화막과 탄화영역이 보였지만 부식 및 탄화 속도가 약 2-3배 증가하였다. 하지만 이는 압력비 (200배)를 고려할 때 상대적으로 지배적이지 않다고 판단된다. 특히 Alloy 800HT의 경우에는, 기저 내부의 탄화물이 형성된 깊이가 $CO_2$ 의 압력과 상관없이 온도에 의해 결정되는 경향을 보였으며 이로 인하여 압력에 따른 인장특성의 변화 또한 거의 없었다. 이는 시스템 설계를 위한 고압 $S-CO_2$ 환경에서의 기계적 실험을 상대적으로 실험이 용이한 저압의 $CO_2$ 의 데이터로 확보가 가능하다는 것을 의미한다.
