싱크로트론 X선 단층촬영과 디지털 부피 상관관계를 이용한 후쿠시마 MCCI의 기계적 거동 조사

npj Materials Degradation 6권, 기사 번호: 55(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

후쿠시마 재해 정화 작업의 주요 목표는 현재 손상된 원자로 1~3호기 지하에 있는 용융 노심-콘크리트 상호작용(MCCI) 생성물을 회수하는 것입니다. MCCI는 핵연료 피복재와 인접 구조 구성 요소로 구성된 재료의 융합입니다. 현재 알려지지 않은 MCCI의 물리적, 기계적 특성을 결정하는 것은 성공적이고 시기적절한 검색을 위해 필수적입니다. 본 논문에서는 MCCI와 유사하게 제작된 재료의 기계적 특성을 실험적으로 정량화하는 것을 목표로 합니다. 소규모 대표 시편은 Hertzian 압입 단계적 하중을 사용하여 기계적으로 테스트되었습니다. 싱크로트론 X선 컴퓨터 단층 촬영을 여러 로딩 단계에서 수행하여 샘플 미세 구조와 기계적 저하를 확인했습니다. 획득한 단층촬영은 디지털 부피 상관관계로 분석되어 샘플 부피 내에서 발생된 전체 필드 변위 및 변형을 측정했습니다. 영률과 포아송 비는 이 결합된 방법을 통해 결정되었습니다.

2011년 쓰나미가 후쿠시마 다이이치 원자력 발전소(FDNPP)를 휩쓸고 비등수형 원자로 1~3호기가 부분적으로 녹는 냉각재 손실 사고가 발생했습니다. 비상 냉각을 위해 원자로 노심에 고염도 해수를 주입했음에도 불구하고 원자로 온도는 2000°C 이상으로 상승하여 UO2 연료 펠릿, 지르코늄 클래딩 및 격납 용기의 강철과 콘크리트와 같은 구성 요소가 녹았습니다1. 반응기의 온도가 100°C 미만으로 안정된 후, 혼합물은 MCCI(Molten Core-Concrete Interaction)로 알려진 유리-세라믹으로 응고되었습니다. 지금도 MCCI가 내장된 손상된 원자로 용기를 137Cs 및 90Sr 재고2의 방사성 붕괴로 인해 발생하는 열로 냉각하기 위해 거의 400m3의 물이 매일 필요합니다. 냉각수와 MCCI 사이의 화학적 상호작용은 방사성 핵종의 용해로 이어집니다. 손상된 원자로 노심에서 누출되는 오염된 냉각수는 재처리 및 정화를 위해 인근 시설로 수집됩니다. 그러나 오염된 물 탱크의 누출과 관련된 위험은 여전히 ​​지속되고 있으며, 방사성 137C가 환경으로 누출되는 사건은 정기적으로 보고됩니다2. 따라서 고방사성 폐기물을 추출해 발전소를 완전히 해체하고 안전하게 보관하는 것이 중요하다. FDNPP의 완전한 해체에는 수십 년이 걸릴 것으로 예상되며, 이는 전체 정화 과정과 관련된 환경 위험에 대한 우려를 불러일으킵니다3.

손상된 FDNPP 원자로 용기의 극도로 높은 선량 환경에서는 내장된 MCCI를 회수하기 위한 첨단 기술 로봇 장비의 설계 및 제조가 필요합니다. 안전하고 효과적인 해체는 인양 작업 중 자재 무결성이 거의 무시할 정도로 손상되는 것과 직접적인 관련이 있습니다. 이 목표를 충족하지 못할 경우 고방사성 물질이 주변 환경으로 확산되어 심각한 방사선 건강 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 원자로 노심 내에 내장된 물질의 물리적, 화학적, 주로 기계적 특성에 대한 정확한 평가는 성공적인 회수에 필수적입니다. 손상된 원자로 내에 존재하는 MCCI와 해수 및 냉각수의 장기적인 상호 작용 효과에 초점을 맞추는 것이 가장 중요합니다. 초기에 형성된 물질의 화학적 변화는 기계적 거동에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 체르노빌 "용암" 노화 중 용해 메커니즘과 새로운 단계의 형성을 논의하는 일련의 연구는 후쿠시마 MCCI 구성, 즉 분해 거동이 시간 의존적임을 나타낼 수 있습니다.

높은 방사능으로 인해 이러한 재료에 대한 표준 기계적 테스트를 수행하고 검색 로봇 시스템을 설계하는 데 필요한 특성을 추출하는 것은 거의 불가능합니다. 재료의 미세 구조가 상당히 이질적이기 때문에 복잡성 수준이 높아집니다.