Jurnal f the Krean Ceramic Sciety Vl. 8, N. 1, pp. 5~56, 011. DOI:10.191/KCERS.011.8.1.05 Fabricability f Reactin-sintered SiC fr Ceramic Heat Exchanger Operated in a Severe Envirnment Chng Hwan Jung and Ji Yen Park Nuclear Materials Research Divisin, Krea Atmic Energy Research Institute, Daejen 305-353, Krea (Received Octber 19, 010; Revised Nvember 1, 010; Accepted Nvember, 010) wy y» SiC y Á w (010 10 19 ; 010 11 1 ; 010 11 ) ABSTRACT Silicn carbide (SiC) is a candidate material fr heat exchangers fr VHTR (Very High Temperature Gas Cled Reactr) due t its refractry nature and high thermal cnductivity. This research has fcused n demnstratin f physical prperties and mck-up fabricatin fr the future heat exchange applicatins. It was fund that the SiC-based cmpnents can be applied fr prcess heat exchanger (PHE) and intermediate heat exchanger (IHX), which are perated at 00~1000 C, based n ur examinatin fr the fllwing aspects: ptimum fabricatin technlgies (design, machining and bnding) fr cmpact design, thermal cnductivity, crrsin resistance in sulfuric acid envirnment at high temperature, and simulatin results n heat transferring and thermal stress distributin f heat exchanger mck-up. Key wrds : Reactin-sintered SiC, Crrsin, Ceramic heat exchanger, Sulfur-Idine prcess, High temperature gas cled reactr, Bnding 1. y v w z l wù š ƒ þƒ (Very High Temperature Gas Cled Reactr : VHTR) ƒ š(750~1000 C), ƒyw w w. š ƒ þƒ l» w, š œ w ù» mw y z y t w š» 1) w œ š. y - s y w SI (Sulfur-Idine) œ w 950 C š ƒ þƒ ƒ w š. w» wùƒ 950 C š y» y w y wš š», yw p ù y». fqpw ) Crrespnding authr : Chng Hwan Jung E-mail : chjung1@kaeri.re.kr Tel : +8--868-8567 Fax : +8--86-596 y» ky³ ƒ w yw, ü, š p, w, k w š»» p p ü w, z š š. UNLV HTHX Prgram mw GA, UCB, Ceramatec wì SiC, C/SiC œ y»(prcess Heat Exchanber : PHE) w» w wwš, Tshiba Ceramics z JAEA wì š Si/SiC w» SI œ y» ww š. -5) 00 ~ 1000 C¾ š œ y» fqp y» w ky³ w w», y w p wš, ky³ sƒ w 100 100 mm q w d w w k sƒ ww. w w 7d q dw t s s w sƒw. 5
원자력 극한환경용 세라믹 열교환기 소재로서 반응소결 SiC 세라믹스 제작성 53. 열교환기 제조 및 물성분석 반응소결 탄화규소 열전판은 탄화규소 분말과 탄소분 말을 포함한 원료 및 첨가물과 규소분말을 혼합하여 유 로가 설계된 몰드에서 열간가압 성형법으로 성형체를 제 조하였다. 성형체는 반응소결에 필요한 탄소원 확보를 위 하여 Ar 가스 분위기 하에서 탄화하였고, 탄화체는 실리 콘의 용융 온도이상으로 진공 열처리하여 반응 소결체를 제조하였다..1. 탄화규소와 탄화규소 접합체의 기계적 및 열적특성 탄화규소 열교환기를 제조하기 위해서는 단위 열전판 을 접합하여야 하는데, 반응 소결체를 제조하는 동안 성 형체 접합 (frming bnding), 탄화체 접합 (pyr bnding) 및 소결체 접합 (sinter bnding)공정 등이 가능하다. 따라 서 각 공정 단계별로 서로 다른 상태의 모재 특성에 맞 는 접합제를 선택하여 반응소결 탄화규소 접합체를 제조 하여야 한다. 최적 접합공정을 선택하기 위하여 접합층이 가운데 위치토록 제조한 각각의 공정별로 3 0 mm 의 곡강도 측정용 반응소결 탄화규소 접합시편을 준비하였다. Fig. 1은 각 접합공정에 따른 반응소결 탄화규소 접합 체의 3점 곡강도 결과이다. 성형체 접합과 소결체 접합공 정으로 접합한 경우는 평균 00 MPa 이상의 강도를 나타 내었으며, 탄화물 접합의 경우는 파괴강도가 상대적으로 낮아 10 MPa 정도이었다. Fig. 에 접합체의 파괴거동을 보여주는 파단 접합체의 미세구조를 나타내었다. Fig. (a)는 성형체 접합에 의한 접합체의 미세구조로 접합층은 평균적으로 150 µm 정도의 두께이었고, 파괴는 모재에서 발생하였다. Fig. (b)는 탄화체 접합에 의한 접합체의 파 단면 미세구조이다. 파괴는 모재가 아닌 접합층에서 진행 Fig.. Fracture behavir f bnded reactin-sintered SiC with different bnding prcesses; (a) frming bnding, (b) pyr bnding and (c) sinter bnding. 3 Fig. 3. Thermal cnductivity f different types f SiC. 되었다. 한편 소결체 접합에 의한 접합체 (Fig. (c))은 접합층 두께가 10 µm 이하로 얇으며 파단이 모재에서 발 생하였음을 알 수 있었다. 평가된 곡강도와 미세구조를 고려하면 접합층은 모재와 동일한 파괴강도를 보이며, 접합층의 두께와 파단면 및 제 조공정 등을 고려하면 성형체접합과 소결체 접합에 의한 방법이 공정적, 기계 구조적 특성에서 유리하다고 판단된다. 반응소결 탄화규소로 제조된 접합체의 열특성 분석을 위하여 지름 1 mm, 두께 mm의 접합시편을 성형체접 합 공정으로 제조한 후, Laser Flash법으로 열확산도 상온 에서부터 1100 C까지 100 C 단위로 각 측정온도에서 3번 씩 측정하여 열전도도를 평가하여 Fig. 3에 나타내었다. 접합체의 열전도도는 단미 반응소결 탄화규소(모재)의 열 전도도와는 큰 차이를 보이지 않았으며, 소결조제를 첨가 Fig. 1. Fractural strength f bnded reactin-sintered SiC with different bnding prcesses. 제 8 권 제1 호(011)
정충환 박지연 5 Fig. 5. Fig.. Weight gain f reactin-sintered SiC in biling sulfuric acid slutins with test duratin. 하여 상업소결로 제조된 시편 (Hexly-SiC)보다는 높은 열전도도 값을 나타내었다... 반응소결 탄화규소의 비등황산에 대한 부식거동 원자로시스템을 이용한 수소생산 방법은 초고온가스로 를 이용하여 950 C 이상의 헬륨가스 출구온도로부터 몇 번의 열교환 공정을 거쳐 SI 열화학 공정으로부터 수소 를 생산하게 된다. 기본적인 화학반응식은 아래와 같이 나타낼 수 있다. 6,7) I + SO + H O HI (aq) + H SO (aq),bunsen reactin (93~ 373K) HI H + I, HI decmpsitin (673~973K) H SO H O + SO + H SO decmpsitin (-1073K) 1/O, 위의 반응식에 의하면 여러 화학 반응공정을 거치며, 물은 수소와 산소로 분해되며 고온 및 고부식성 환경이 조성된다. 따라서 열교환기 후보재료인 탄화규소의 고온 및 황산 부식특성에 대한 평가가 필요하다. 이에 따라 30 C 비등 황산 분위기에서 00일까지 단미 반응소결 탄 화규소의 부식실험을 수행하여 그 결과로 Fig. 에 나타 내었다. 그림에서 보면 초기 100일까지 시편의 무게변화 는 서서히 증가하였으나, 100일 이후에는 증가현상이 없 는 것으로 보아 시편 표면의 산화막 형성이 부식 억제층 으로 작용하고 있다고 파악된다. 따라서 반응소결 탄화규 소의 부식거동 및 접합체의 기계구조 및 열물성을 종합 하면, SI 공정에 적용할 공정 열교환기로 반응소결 탄화 규소가 가능함을 알 수 있다. 따라서 단위 열전판 및 열 전판을 적층 접합한 모듈 시작품을 제작하였다. 한국세라믹학회지 Prcess heat exchanger mck-up made by reactin sintered SiC; (a) design cncept, (b) mck-up and (c) NDT-image f mck-up bserved by 3D-CT..3. 컴팩트형 열교환기 mck-up 제작 컴팩트형 열교환기 모듈 및 각각의 열전판은 반응소결 탄화규소로 제조하였다. 금속 몰드에서 유체 흐름양과 방 향을 결정하는 유로가 설계된 열전판을 제조하고, 각각의 열전판을 접합소재로 열간 접합하여 Fig. 5와 같은 단위 열 전판 및 이를 적층 접합한 적층형 열교환기 mck-up을 제 작하였다. Fig. 5 (a)에 나타낸 개념도에서 볼 수 있듯이 유 체 흐름 방향이 서로 엇갈리도록 고온 열전판과 저온 열전 판을 엇갈려 적층하는 구조를 갖도록 설계하였으며, Fig. 5 (b)에 나타낸 바와 같은 100 100 mm 단위 열전판을 적층 접합한 mck-up을 제작할 수 있었다. Mck-up의 내부에 가 압수를 이용하여 누수실험을 통하여 접합이 건전하게 되었 음을 확인할 수 있었다. 그러나 3D-CT를 이용한 비파괴 시 험결과, (Fig. 5 (c))에서 접합제의 양이 과하여 일부 유로가 막혀있음을 확인할 수 있었다. 이에 대해서는 접합제의 양 을 적절히 조절하여 개선할 수 있으리라 판단된다... 열교환기 설계 및 열분포 분석 반응소결 탄화규소 열교환기 평판형 모듈의 정상상태 에서의 열전달 및 열응력 해석을 하였다. 열교환기를 구 성하는 개별 탄화규소판을 고온용과 저온용으로 구분하 고 모두 7개(저온-고온-저온-고온-저온-고온-저온)를 적층 하여, 열교환기 집합체 모델은 탄화규소 각 판을 90도로 엇갈리게 결합하여 작성하였으며, 각각의 유한요소 모델 을 예시하였다. 유한요소 모델은 사면체 요소를 기준으로 작성하였으며, 집합체 기준으로 총 31,83개의 유한요소 로 구성되었다...1. 열교환기 모델 및 유한요소 해석 열교환을 수행하기 위하여 유체가 흐르는 홈의 깊이는 제조된 구멍이 1.5 mm이며 판은 50 50 mm 의 정사각형 판으로 다. 고온의 유체와 저온의 유체가 통과하는 유동
원자력 극한환경용 세라믹 열교환기 소재로서 반응소결 SiC 세라믹스 제작성 Fig. 6. Fig. 7. 55 Temperature distributin f reactin-sintered SiC heat exchanger mck-up simulated by ANSYS; (a) 600C (high temperature part) - 0C (lw temperature part) system and (b) 850C-5C system. Stress distributin f reactin-sintered SiC heat exchanger mck-up simulated by ANSYS; (a) 600C (high temperature part) 0C (lw temperature part) system and (b) 850C-5C system. 90도 간격으로 가공되므로, 고온과 저온의 유체가 직접적 인 열교환은 발생하지 않는다. SiC 판의 표준 유한요소 모델과 온도, 변형량 및 응력 분포에 대한 상세한 검토가 필요한 판(집합체 중간 부분 에 위치한 판)의 경우에는 열교환이 이루어지는 홈을 중 심으로 조금 더 세밀한 체눈(mesh)으로 구성된 유한요소 모델을 적용하였다. 열전달 해석 및 응력해석은 600 C(고 온부)/0 C(저온부)와 850 C(고온부)/5 C(저온부)의 두 가지 시스템에 대하여 수행하였다. 고온판과 저온판의 온 도는 SiC 판의 홈을 구성하는 표면에 적용하여 열전달 해 석을 수행하였다.... 온도분포해석 두 가지 고온판 및 저온판의 온도 조건으로부터 열교 환기 mck-up의 온도 분포를 Fig. 6(a)에 600 C/0 C인 시스템과 Fig. 6 (b)에 850 C/5 C인 시스템에 대하여 나 타내었다. 모사된 결과에서 볼 수 있듯이, 고온부분과 저 온부분이 구분되어 온도 구배가 나타났으며, mck-up의 중간 부분에서는 고온부로부터 저온부까지 온도 구배의 간격이 넓게 분포되었다. Mck-up 표면의 경우에는 고온 판과 저온판의 중심으로 국부적인 온도 구배가 나타났다. 열교환기 mck-up을 고온판과 저온판을 연결하는 직선 (5 )을 단면을 기준으로 온도 분포를 표시하여 보면, 저 온판과 고온판의 통로를 기준으로 각 단면사이의 온도 구 배가 발생하며 mck-up의 중간 부분의 온도 분포가 안정 적인 것으로 평가된다. 따라서 mck-up을 구성하는 SiC 판의 온도 구배 및 이에 따른 응력을 평가하기 위하여 mck-up의 중간부분을 구성하는 고온판과 저온판의 결과 를 검토하는 것이 전체적인 경향을 대표할 수 있을 것도 평가되었다...3. 열변형량 및 응력 분포 두 가지 온도 조건에 따른 열교환기 mck-up의 변형량 은 최대 0. mm (고온관 850 C 기준)를 초과하지 않는 것 제 8 권 제1 호(011)
56 yá sƒ, š w p x x x ùkü ù 0. mm. Fig. 7 ƒ w w. w w 900 MPa x w w, 300 MPa ü ùkù. ƒ d w SiC q sƒw» w dw š q q sƒw. 7 SiC q y» w w ww w wš s w ww. SiC q sƒw» w w ww y» mck-up sƒw. y» mck-up SiC q l t s s ƒw y w. 3. š ƒ þƒ œ w y - œ w ky³ y» sƒw» w, ky³ wwš q,, y» p sƒw. w ƒ q wš, d ww mck-up w sƒw, w w mck-up s p w. ky³ w q d x w wœ ww ƒ s³ 00 MPa ùkü, wd Ì q œ š w x w w w œ,» p w š q. w ky³ ( ) j š, r ùkü. š y»» 100 ƒw ù, 100 z ƒx ù, r t y x d w. 7 SiC q y» ƒ w x ù, w š w wš, w w w w w y w. Acknwledgments w» (MEST) Nuclear R&D Prgram w, ( ) ky³ w. w y» s w ½k Ì. REFERENCES 1. F. Carré, P. Yvn, W.J. Lee, Y. Dng, Y. Tachibana, and D. Petti, VHTR On-ging Internatinal Prject, Prc. f GIF Sympsium, Sept. 9-10, Paris, 009.. J. Iwatsuki, A. Terada, H. Nguchi, Y. Imai, M. Ijichi, A. Kangawa, H. Ota, S. Kub, K. Onuki, and R. Hin, Develpment Prgram f IS Prcess Pilt Test fr Hydrgen Prductin with High Temperature Gas-cled Reactr, Prc. f ICONE1, ICONE1-8967, in Int. Cnf. n Nuclear Engineering, July 17-0, Miami, Flrida, USA, 006. 3. C. F. McDnald and C. Rdgers, Small Recuperated Ceramic Micrturbine Demnstratr Cncept, Applied Thermal Eng., 8 60-7 (008).. M. A. Wilsn, C. Lewinshn, J. Cutts, Y. Chen, and V. Pnyavin, Design f a Ceramic Heat Exchanger fr Sulfuric Acid Decmpsitin, Prc. f ICONE15, ICONE15-10788, in 15th Int. Cnf. n Nuclear Engineering, April - 6, Nagya, Japan, 007. 5. J. Iwatsuki, A. Terada, H. Nguchi, A. Kangawa, M. Ijichi, S. Kasahara, S. Kub, N. Sakaba, K. Onuki, and R. Hin, Design Study f Pilt Test Plant fr Hydrgen Prductin by Thermchemical Water Splitting IS Prcess, Prc. f ICONE15, ICONE15-10178, in 15th Int. Cnf. n Nuclear Engineering, April -6, Nagya, Japan, 007. 6. Funk J.E. Thermchemical Hydrgen Prductin: Past and Present, Int. J. Hydrgen Energy, 6 185-90 (001). 7. Nrman J.H, Besenbruch G.E, O Keefe DR. Thermchemical Water Spleeting fr Hydrgen Prductin; GRI-80/ 0105. 1981. w wz