Zirconium alloys used as cladding materials of nuclear fuel are widely utilized by adding niobium as a major alloying element to improve corrosion resistance. At present, much research has been carried out experimentally to optimize the addition of niobium. And in recent years, as the integrity of high burn-up nuclear fuel is regarded as necessary, the research for further improving the corrosion resistance has been performed. However, the mechanism is still unclear. The mechanism to improve corrosion resistance has been explained in many aspects and it is generally understood that various macroscopic factors such as temperature, pressure, surface condition, heat treatment, and second phase particles interact complexly and consequently influence the lattice structure of $ZrO_2$ layer and charged particles’ diffusion. In this study, to understand clearly how niobium affects the ion transport in the lattice structure of oxide layer, we analyzed the electrical conductivity characteristics by impedance measurement, which is a typical method to understand ion transport. In particular, by manufacturing the monoclinic $ZrO_2$ bulk which was difficult to manufacture in the past but is similar to the structure of $ZrO_2$ layer, we were able to obtain evident electric conductivity characteristics in the monoclinic lattice structure of $ZrO_2$ bulk excluding the influence of various factors as described above. As a result, $ZrO_2$ bulk added with a small amount (1mol% $Nb_2O_5$) of niobium showed lower electrical conductivity than that of pure or tin-added $ZrO_2$. Besides, the $ZrO_2$ layer also showed the same tendency. Therefore, niobium is considered to lower the migration characteristics of oxygen ions in a microscopic viewpoint in the $ZrO_2$ layer. And the experimentally obtained Mott-Schottky plots provided the evidence of the reduced oxygen vacancy concentration for both $ZrO_2$ bulk and $ZrO_2$ layer.
핵연료의 피복관 재질로 사용되는 지르코늄합금은 내부식성 향상을 위해 니오비움을 주요 합금 원소로 첨가하여 사용되고 있다. 근래에도 니오비움 첨가와 함께 고연소도 핵연료의 내부식성을 더욱 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있지만, 내부식성을 설명할 수 있는 메커니즘은 지금까지도 명확하게 정리되어 있지 않다. 다만, 현재까지 많은 연구자들에 의하여, 지르코늄합금의 내부식성 향상 메커니즘은 여러 측면에서 설명되고 있으며, 대체적으로 온도, 압력, 표면상태, 열처리, 석출물 영향 등의 여러 거시적이고 복합적인 요인이 산화층의 구조 및 산소 이온 이동에 영향을 주는 것으로 이해되고 있다. 본 연구에서는 니오비움이 산화층의 산소 이온 이동에 어떤 영향을 주는지 명확하게 이해하고자, 이온의 이동을 이해하는 임피던스 측정을 통하여 전기전도도 특성을 해석하였다. 특히, 산화층과 결정구조가 유사하면서, 기존에는 제조가 어려웠던 단사정계 지르코니아 벌크를 제조하였고, 다른 영향 인자를 배제하고 단순화된 지르코니아 단사정계 격자구조에서의 전기전도도 특성을 명확하게 취득할 수 있었다. 결과적으로, 니오비움이 소량 (1mol% $Nb_2O_5$) 도핑된 지르코니아는 순수 지르코니아의 전기전도도보다 낮았으며, 니오비움이 주요 원소로 첨가된 지르코늄 합금의 산화층 역시 전기전도도가 감소하는 경향을 보여주었다. 전기전도도 감소는 니오비움이 산화층 내 산소 이온의 이동 경향을 낮추는 것으로 생각되며, 이는 산소 공공의 농도 감소에 기인한 것으로 생각된다. 산소 공공의 감소는 Mott-Schottky 정량법을 통해 확인할 수 있었다.
