Effects of Freshwater Flooding on the Properties of the Accelerated Thermally Aged CSPE

가속열화 된 CSPE의 특성에 미치는 담수침지의 영향

Abstract

The accelerated thermal aging of a CSPE were carried out for 0, 80.82, 161.63 days at $100^{\circ}C$, which are equal to 0, 40 and 80 years, respectively. The volume electrical resistivities of the non-accelerated thermally aged CSPE and the accelerated thermally aged CSPE for 40y and 80y were $9.620{\times}10^{12}{\sim}1.246{\times}10^{13}{\Omega}{\cdot}cm$, $5.066{\times}10^{12}{\sim}7.576{\times}10^{12}{\Omega}{\cdot}cm$ and $7.195{\times}10^{12}{\sim}9.208{\times}10^{12}{\Omega}{\cdot}cm$ at room temperature, respectively. The dielectric constant of the non-accelerated thermally aged CSPE and the accelerated thermally aged CSPE for 40y and 80y were 3.355~4.030, 2.996~3.963 and 3.020~4.776 at room temperature, respectively. After seawater and freshwater flooding, the volume electrical resistivity of the CSPE trend slightly upward according to drying day at room temperature. After seawater flooding, the dielectric constant of the accelerated thermally aged CSPE were not measured. After seawater flooding, bright open pores of the accelerated thermally aged CSPE were partly transferred to dark close pores due to salinity. After freshwater flooding, dark close pores of the accelerated thermally aged CSPE were partly transferred to bright open pores because salinity of them is decreased. An insulation property of a cable in NPPs was decreased because of the seawater flooding, and an insulation property of them was recovered through the freshwater flooding. As a result, it is considered that an insulation property of a contaminated cable through Tsunami can be recovered if it is cleaned quickly.

1. 서 론

일본 후쿠시마 원전 방사능 노출 원인은 예상하지 못했던 대규모 쓰나미로 인한 전력 공급이 차단되어 전력 공급의 중요성이 상기되었다[1]. 케이블 상태감시는 장기사용에 대해 케이블 절연재나 외피의 열화정도를 정확히 판단하고 앞으로 잔존 수명에 대한 진단을 통해 케이블의 적기 교체시기를 파악하기 위한 것이다. 케이블 상태감시는 화학적, 물리적과 전기적인 성질을 이용하여 진단하는 방법으로 구분 할 수 있다[2][3]. 전기적인 성질을 이용하는 방법은 케이블에 직류 또는 교류 전압을 인가하고 절연재 및 외피의 절연 특성 변화를 조사하거나, 케이블에 신호를 보내어 반사되는 신호를 조사하는 방법 등이 제시되고 있다. 이러한 전기적인 방법의 장점은 고전압을 이용하는 절연파괴 시험을 제외하고는 케이블 절연재질을 손상하지 않으며, 모든 종류의 절연재질에 사용가능한 상태감시 방법이다[4].

본 연구에서는 원전 케이블로 상용되고 있는 CSPE (chloro sulfonate polyethylene)를 100℃에서 가속열화 하였다. 가속열화 전・후의 CSPE를 해수・담수 침지 하고 건조 일수에 따른 체적전기저항률, 유전상수를 측정하고 FE-SEM(field emission scanning electron microscope)을 통하여 관찰하였다. Tsunami의 원전 사고에 대비하기 위해 가속열화 전・후의 CSPE에 미치는 해수의 영향을 분석하였다

 

2. 본 론

2.1 시편제작

CSPE(Taihan Electric Wire Co., Ltd.)를 설정온도 100℃ 의 열적 다단형 전기 가열로에 넣고 표 1과 같이 해당되는 시간동안(h) 가속열화 하였다. 가상 운전에 맞는 실제 가속 열화 시간은 KEPRI의 가속열화 프로그램에 의한 가상운전 온도 50℃에 의해 설계되었다.

표 1운전지속시간에 따른 CSPE의 가속열화 시간 Table 1 Accelerated aging time of a CSPE according to operating duration time

2.2 해수·담수 침지

영광원자력 발전소의 해수와 전주 맑은 물 사업소의 담수를 각각 채취하여 5일 동안 침지하였다. 채취한 해수・담수의 성분은 국립수산과학원과 전주 맑은 물 사업소에 의뢰하여 분석 하였다.

표 2영광 원자력 발전소의 해수 분석표 Table 2 Analysis of seawater in Yeong-gwang nuclear power plant

2.3 3단자-체적전기저항률 측정시스템

가속열화 전·후 CSPE의 체적전기저항률은 KSM3015에 의거하여 그림 1과 같이 설계·제작한 3단자-체적전기저항률 측정시스템[5]을 통해 측정 하였다.

그림 13단자-체적전기저항률 측정시스템 Fig. 1 Measuring system of 3 terminal-volume electrical resistivity

2.4 유전상수 측정 시스템

그림 2와 같이 설계·제작한 유전상수 측정시스템을 이용 하여 가속열화 전·후 CSPE의 정전용량을 측정하였다. 평행판 캐패시터의 정전용량 식에 의거하여 가속열화 전·후 CSPE의 유전상수를 계산 하였다.

그림 2유전상수 측정 시스템 Fig. 2 Measuring system of dielectric constant

2.5 주사전자 현미경(FE-SEM, field emission scanning electron microscope)

가속열화 전·후 CSPE의 FE-SEM(S-4800, Hitachi, Japan)을 분석하고, 체적전기저항률과 유전상수 간에 관련성을 조사하였다.

2.6 체적전기저항률

해수·담수 침지 후 0y, 40y과 80y CSPE의 체적전기저항률은 그림 3에 나타난 바와 같이 9.620×1012∼1.246×1013Ω·cm, 5.066×1012∼7.576×1012Ω·cm과 7.195×1012∼9.208×1012Ω·cm 이다. 해수·담수 침지 후 가속열화 된 40y과 80y CSPE의 체적전기저항률은 거의 비슷하지만 가속열화가 되지 않은 0y보다는 낮게 나타나고 있다. 가속열화 후 CSPE의 측면 체인분열 등으로 인해 느슨해진 중합체로 전계인가 시 체적 전도전류가 높아진 것으로 생각된다.

그림 3해수·담수 침지 5일 후 건조 일수에 따른 CSPE의 체적전기저항률 Volume electrical resistivity of the CSPE according to drying day after seawater and freshwater flooding for 5 days respectively

2.7 유전상수

해수 침지 후 CSPE 시편의 유전상수는 측정이 불가능 하였다. 해수에 있는 염분(NaCl, MgCl2, NaSO4, CaCl, KCl)에 의해 CSPE 외부에 이온성(Na+, Cl−, Mg2+, SO4 2−, Ca2+, K+) 전도전류가 생성되어, 분극이 일어나지 않은 것으로 생각된다. 담수 침지 후 0y, 40y과 80y CSPE의 유전상수는 그림 4에 나타난 바와 같이 3.355∼4.030, 2.996∼3.963과 3.020∼ 4.776이다. 해수․담수 침지 후 가속열화 40y과 80y의 유전상수는 건조일수가 증가할수록 가속열화가 안 된 0y의 값보다는 커지는 경향이다. 담수 침지에 의해서 CSPE의 이온성 (Na+, Cl−, Mg2+, SO4 2−, Ca2+, K+)이 다소 감소되어 이온분극이 일어나게 된 것으로 사료된다.

2.8 FE-SEM

그림 5∼7은 CSPE의 침지 전, 해수 침지 후, 해수·담수 침지 후 FE-SEM 사진으로 800배와 2000배 확대한 사진이다.

그림 4해수‧담수 침지 5일 후 건조 일수에 따른 CSPE의 유전상수 Dielectric constant of the CSPE according to drying day after flooding to seawater and freshwater for 5 days respectively

그림 5해수침지 전 CSPE의 FE-SEM Fig. 5 FE-SEM of the CSPE before seawater flooding

그림 6해수침지 5일 후 CSPE의 FE-SEM Fig. 6 FE-SEM of the CSPE after seawater flooding for 5 days

그림 7해수• 담수 침지 5일 후 CSPE의 FE-SEM Fig. 7 FE-SEM of the CSPE after seawater and freshwater flooding for 5 days respectively

FE-SEM에 나타난 바와 같이 해수 침지 전 open pore는 해수 침지 후의 염분(NaCl, MgCl2, NaSO4, CaCl, KCl)에 의해서 close pore로 되어 어둡게 나타나고 있다. 해수 침지 후 나타난 close pore에서 담수 침지로 인해 염분이 빠져나와 open pore로 회복되어 일부 밝게 나타나고 있다.

open pore가 많을수록 체적전기저항률이 높아지고, 염분에 의해 close pore로 되면 체적전기저항률이 낮아지는 것으로 사료된다.

 

3. 결 론

해수·담수 침지 후 건조 일 수(1,2,3,5,15일)에 따른 가속 열화 된 CSPE의 체적전기저항률, 유전상수측정과 FE-SEM 관찰을 통한 해수․담수가 미치는 영향은 다음과 같다.

1) 해수·담수 침지 후 CSPE의 체적전기저항률은 건조일 수가 증가 할수록 절연특성이 회복되어가고 있다.

2) 해수 침지 후 CSPE 시편의 유전상수는 측정되지 않았고 해수․담수 침지 후 건조일수가 증가 할수록 CSPE의 유전상수는 높아지는 경향이다.

3) FE-SEM에 나타난 바와 같이 해수 침지 전 open pore 는 해수 침지 후의 염분에 의해서 close pore로 되어 일부 어둡게 나타나고 있다. 해수 침지 후 나타난 close pore에서 담수 침지로 인해 염분이 빠져나와 open pore로 회복되어 일부 밝게 나타나고 있다.

해수 침지로 인해 CSPE의 절연특성에 악영향이 나타나고 있으나, 담수 침지로 인해 CSPE의 절연특성이 회복되었다. 따라서 쓰나미로 인해 오염된 CSPE의 절연특성을 회복시키기 위해 빠른 세척이 필요하다.