산세 및 세척된 지르코늄-니오브 합금 성분의 표면으로부터 니오브-고 함량의 SPP 증착물을 제거하는 방법 document_id A220623069820

지르코늄(Zr)은 수많은 이용 속성을 가지는데, 그 가운데 물리적 강도 및 내식성이 우수하다. 하프늄-정제 형태에 있어서, 지르코늄은 핵연료 코어용 구조 재료로서 널리 사용되고, 중성자 흡수단면적(neutron absorption cross section)이 작다는 이점이 있다. 핵 등급 지르코늄 어플리케이션에 현재 사용되는 합금은, 주석, 철 및 간혹 니켈을 함유하며; 최근에 "지를로(Zirlo)" 합금 등의 합금 조성물(Westinghouse Electric Co., LLC, Pittsburgh, PA) 또한 원자로 주위에서 내식성을 향상시키기 위해 니오브(Nb) 퍼센트량을 포함한다. 대부분의 금속 제품 어플리케이션과 같이, 원자로 연료관 및 코어재의 제조는 스크래치, 산화물 얼룩(stains) 및 윤활제로부터의 화학적 오염물 등의 원하지 않는 특징을 금속의 표면에 남긴다. 이로써, 지르코늄 성분은 사용 전에 산세되고, 연료 부속품을 구성하는 부품은 표면 품질을 제어하기 위해 그리고 오염물을 제거하기 위해 제조 공정 중 여러 번에 걸쳐 산세될 수 있다. 지르코늄용 전형적 산세 배쓰(bath)는, 매우 활성적인 용액인 10 내지 40 중량%의 질산과, 1 내지 5 중량%의 플루오르화 수소산을 포함한다. 특정 문제는 니오브-함유 지르코늄 합금을 산세 시 일어난다. 니오브는, 합금 내에서 SPP(second-phase particle)라 일컫는 아주 작은 입자로 분리되려는 경향이 있다. SPP는 2 성분의 Zr-Nb 또는 3 성분의 Zr-Nb-Fe 조성물을 전형적으로 가진다. 합금이 산세될 시, Zr 매트릭스의 용해가 SPP보다 더 빠르게 진행되어, 다량의 미세한 미립자 및 흑색 입자는 산세 공정중 산세용 산으로 방출된다. 불행히도, 지르코늄 합금이 산세용 산으로부터 제거되는 경우, 완전하게 세척이 된 후라도, 전형적으로 표면은, 세척 중 금속면으로부터 제거되지 않은 점착성 입자의 고밀도 코팅으로 인한 맷블랙(matte black)이다. 이 물질은 산업계에서 "스머트(smut)"로서 알려져 있고, 다량의 흑색 미립자 진균성 포자와 외관 형상이 유사하여 동일 명칭으로 일컫는다. 니오브-지르코늄 합금이 원자로 어플리케이션에서 사용될 수 있기 전에, 모든 "스머트" 증착물은, 일부 밝고, 광택이 나는 제품 표면을 구현하기 위해 그리고 후에 그러한 입자가 원자로 냉각수에 방출되어 원자로 내의 잠재적 증착물로 이어질 가능성을 막기 위해 제거되어야 한다. 쉽게 접근가능한 외부 표면 상에서, SPP 증착물의 제거는 어렵지 않고, 그리고 헝겊이나 스폰지를 가진 워터 블라스팅 또는 기계적 와이핑에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 수많은 최종 원자로재는 쉽게 접근할 수 없는 내면, 예를 들면, 가압 수형 원자로(PWR) 및 비등수형 원자로(BWR) 양자에 대한 내부 연료관, 그리고 BWR의 내부 채널 박스 등을 포함한다. 매끄러운 원통형관 등의 여러 내면의 기계적 클리닝은 구성재를 통하여 클리닝 스웝(cleaning swab)("피그(pigs)")을 드래그함으로써 달성될 수 있지만, 다른 작은 채널은 효과적으로 제거되지 않을 수 있으며, 그리고 작은 갈라진 틈에 전혀 접근될 수 없다. 상기 문제에 대한 이상적인 해결책은 구성재가 담기게 되어 SPP 증착물을 용해하거나 금속면으로부터 SPP 증착물을 제거시키는 화학 세척이다. Zr-Nb와 Zr-Nb-Fe SPP의 용해는 바람직한 해결책이 될 수 없으며, 활성화가 가능한 솔벤트가 지르코늄 기반물질을 보다 더 활성화시킴으로써, SPP를 제거하는 동시에 합금으로부터의 표면 손상을 줄 수 있다.