원자의 핵분열을 이용하여 막대한 열을 발생시키고, 그 열을 이용하여 터빈을 구동하여 전기를 얻는 원자력 발전은 2013년을 기준으로 세계 31개 나라에서 총 434기의 원자력발전소가 가동 중에 있으며, 73기의 발전소가 건설되고 있다. 현재 우리나라도 23기의 발전소를 보유하고 있으며 원자력 발전은 전체 발전량의 약 40%를 차지하고 있다. 그러나 후쿠시마 원전사고 이후 일본 및 독일, 일부 유럽국가에서는 원전폐지정책을 시행하는 등 원자력발전의 안전성에 대해 우려의 시각으로 바라보고 있다. 국내의 경우 원자력 발전을 포기한 국가들과는 달리 사면이 바다와 북한으로 막혀있어 원자력 발전 포기 시 중국이나 러시아로부터 전기를 수입해올 수 없는 실정이다. 따라서 원자력 발전에 의한 지속적인 전력 수급을 위해서 원자력 발전의 안전성 및 신뢰성 확보는 신중히 고려해야 할 부분이다.
국내 원자력 발전소는 월성 1~4호기를 제외한 나머지 19기의 원자력 발전소가 가압경수로형이다. 핵분열을 하는 1차 계통과 전기를 생산하는 2차 계통이 분리되어 핵연료에 직접 접촉한 경수와 증기를 끓이는 물이 서로 섞이지 않아 비교적 안전하다. 그러나 많은 에너지를 효율적으로 전달하기 위해 내부 압력은 대기압의 150배 정도의 높은 압력을 유지하게 되므로 원자로 내부에 발생한 결함은 빠르게 성장하여 구조물에 심각한 피해를 입힐 수 있다. 따라서 이러한 결함들에 대한 지속적인 연구를 통해 이를 방지하고 결함의 성장을 지연할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
원자력 발전소(이하 원전)에서 발생하는 결함들 중의 하나인 응력부식균열(SCC, Stress Corrosion Crack)은 인장응력을 받고 있는 금속 구조물이 특정 부식 환경에 노출되었을 때 발생하는 환경기인 균열이다. 특히 균열의 시작과 성장을 관찰하기 어렵고, 우수한 표면보호피막을 형성하는 금속구조물에서 예고 없이 발생하기 때문에 구조물의 안정성에 심각한 위협을 끼치고 있다. 현재까지도 응력부식균열의 명확한 발생 기구는 규명되지 않고 있으나 응력부식균열 발생에는 합금원소의 재료적 인자와 부식 환경적 인자, 그리고 인장 잔류응력 등의 역학적 인자의 복합적인 작용으로 발생하는 것으로 알려져 있다. 현재 응력부식균열은 원전 구조물의 이종용접부 등에서 발생하고 있으며 보수 작업이나 예방 작업과 같은 부수적인 작업이 반드시 필요한 실정이다.
이에 본 논문에서는 실제 원전 사용재료인 STS 316L을 사용하여 응력부식균열을 제작 하였다. STS 316L은 원자력 발전소 뿐만 아니라 부식 환경이나 고압 환경에 노출될 수 있는 여러 산업 분야에서 사용되는 대표적인 내부식성 재료이다. 이 재료를 사용하여 굽힘 응력 시험편을 제작하였고 고온 고압의 극심한 부식 환경에 노출시키어 응력부식균열을 발생시킬 수 있었다. 시험편은 항복응력 이하의 낮은 응력 조건에서 응력부식균열이 발생하였고 파단 되었다. 또한 두께가 서로 다른 두 개의 STS 316L 배관재를 이용하여 원전 이종용접부 형상을 모사하였고 응력부식균열을 제작하였다. 실제 원전 응력부식균열 사례와 유사한 위치에 응력부식균열이 발생함을 확인할 수 있었으며, 배관의 두께에 따라 균열의 발생 시간과 발생 위치가 달라지는 것을 알 수 있었다. 유한요소해석 결과, 배관의 두께가 두꺼워짐에 따라 표면 용접잔류응력이 감소함을 알 수 있었다. 결론적으로 원전 사용재료인 STS 316L 재료를 원전 가압경수로 환경을 모사한 실험 장비에서 응력부식균열을 발생시키는 데에 성공하였고, 이종용접부 형상 모사를 통해 배관의 두께에 따라 응력부식균열 발생 거동이 달라짐을 알 수 있었으며 더 나아가 응력부식균열 예방 및 방지를 위한 원전 이종용접부 배관 설계를 수정 및 권고 제시하였다.