Key words: Nuclear decommissioning, Pressurized underwater environment, Laser cutting, Assistant gas, Schlieren analysis

1. 서 론

원전 해체 환경에서의 방사성 2차 폐기물 발생량 및 작업자의 피폭 가능성 감소를 위해¹⁾ 레이저를 이용한 수중 절단에 대한 다양한 연구가 진행중이다^2,3). 현재 원자로의 가동이 정지되어 해체가 계획된 고리 1호기의 경우 경수로 압력용기의 깊이가 약 12 m 이다. 따라서, 레이저 열원을 이용하여 원전해체를 위한 수중 절단을 할 때에도 수심 10 m 이상 환경에서의 수압을 고려한 절단 성능은 중요한 고려 사항이며, 레이저의 물에 의한 흡수 등의 영향을 최소화하기 위하여 절단 매개변수의 영향을 확인할 필요가 있다. 특히 수심 10 m 이상의 원자로에 담겨져 있는 구조물의 절단시에는 압력이 가해지기 때문에, 이 환경에서의 절단가스에 의한 절단부 형상을 파악해야 한다.

Wandera 등은 두께 10 mm 스테인리스 강판의 높은 레이저 절단 엣지 품질을 달성하기 위한 절단 속도, 초점 위치, 초점 길이 등 매개변수의 최적화를 연구하였다⁴⁾. 이 연구는 레이저 절단 매개변수와 절단 품질에 대한 유의미한 결과를 다루고 있지만 원전용 후판 스테인리스강의 적용에는 적합하지 않다. Lopez 등은 두께 6-70 mm의 C-Mn 강에 대하여 매개변수 영향에 대한 연구를 하였지만, 수중 조건에서의 실험은 다루고 있지 않다⁵⁾. Oh 등^6,7)은 초음속 및 이중 노즐에 대하여 연구하였고, Shin 등^8,9)은 계단식 절단법 및 경사 절단을 이용하여 최대 레이저 절단속도와 최대 절단 두께를 증가시키기 위한 연구를 하였다. 하지만 현재까지 후판 스테인리스강에 대한 수중가압환경에서의 레이저 절단 연구는 부족한 실정이다.

따라서 본 논문에서는 수심 10 m 이상의 깊은 수심에서 커프폭과 보조가스 흐름의 관계를 규명하는 것을 목표로, 최대 출력 20 kW 파이버 레이저를 사용하여 두께 80 mm 스테인리스강을 수중 10 m 환경을 모사한 1 bar의 수중 가압환경에서 레이저 절단 실험을 하였다. 이때, 보조가스 압력에 따른 시험편의 커프 형상 및 거칠기 등을 분석하여 건전한 절단면 품질이 얻어지는 조건을 도출하였다. 또한, 슐리렌 분석법을 통한 가스의 유동을 가시화하고 커프폭 및 보조가스 흐름에 따른 드래그라인 형상 분석을 통해 커프폭과 보조가스 흐름의 관계를 확인하였다.

2. 실험 재료 및 방법

2.1 실험 재료

2.1 실험 재료

수중 레이저 절단이 적용될 원자로 내부 구조물 및 원자로 압력 용기의 재료를 고려하여 실험 재료는 오스테나이트계 스테인리스강인 STS304L로 선정하였다. 시험편은 원전 구조물의 두께를 고려하여 80×80 ×100 mm의 크기의 시험편을 제작하여 사용하였다. Table 1에는 시험편의 화학적 조성을 나타내었다.

Table 1

Chemical composition of STS304L

Element	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N	Co	Cu	Fe
wt%	0.022	0.39	1.64	0.03	0.004	18.16	8.04	0.14	0.067	0.22	0.28	Bal.

2.2 실험 방법

2.2 실험 방법

두께 80 mm의 시험편에 대하여 1 bar의 가압수조 내에서 약 70 mm의 길이로 레이저 절단하였다. 절단 성능의 향상을 위해서 초기 20 mm 구간은 6 mm/min의 저속으로 시험편의 예열 구간을 가졌으며, 이후 70 mm/min의 속도로 절단하였다. 보조가스의 종류는 질소를 사용하였으며, 압력은 6~15 bar 범위에서 실험하였다.

보조가스가 유입되는 절단부 입구의 전면 커프폭 변화에 따른 보조가스의 유동현상을 관찰하기 위하여, 기체의 밀도와 그에 따른 굴절률이 변화되는 원리를 활용한 슐리렌 분석법¹⁰⁾을 이용하였다. Fig. 1은 커프폭 내 보조가스의 흐름을 가시화 하기위해 투명 아크릴을 이용하여 제작한 지그 개념도를 나타내며, 투명 아크릴 사이의 폭(Gap)을 1~3 mm 까지 변경하며 실험을 진행하였다. Fig. 2은 슐리렌 가시화 시스템의 전체 구성을 나타낸다.

Fig. 1

Transparent acrylic jig for observing the flow of gas inside the cutting part

Fig. 2

Schematic diagram and experimental setting of schlieren imaging system

3. 실험 결과

3.1 커프형상에 미치는 보조가스의 영향

3.1 커프형상에 미치는 보조가스의 영향

먼저 Fig. 3의 보조가스 압력(P_G)에 따른 커프 형상을 살펴보면, 가스 압력의 변화와 관계없이 절단은 성공적으로 이루어졌다. 하지만, 이면 커프 형상을 비교했을 때, 가스의 압력이 6, 9bar 일 때는 절단부 내부로의 가스 유입량이 충분하지 않아 용융금속을 빠르게 밀어내지 못하여, 절단부 이면에 가까워 질수록 불규칙적인 커프 형상이 나타나고 이면 커프폭이 비교적 넓게 형성된 것을 관찰할 수 있다.

Fig. 3

Kerf shape and cut surface according to assist gas pressure

Fig. 4에서는 정량적인 커프폭의 변화를 그래프로 나타내었다. 전면 커프폭(W_f·kerf)은 가스 압력의 변화와 관계없이 대체로 유사하였지만, 이면 커프폭(W_r·kerf)은 가스 압력이 증가함에 따라서 좁아졌다. 이로 인해 전면과 이면 커프폭의 차이를 상대값으로 나타내는 테이퍼(T)는 최소 0.18에서 최대 0.45 까지로 가스압력의 변화에 따른 변화가 크지 않았다. 하지만 커프 형상에서 확인할 수 있듯이 보조가스 압력 12 bar 이상의 조건에서부터 직선형태에 가까운 커프 형상이 나타나며, 절단부 이면에서 용융금속의 배출이 원활히 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 4

Kerf width and taper according to assist gas pressure

3.2 보조가스 압력에 따른 드래그라인 및 거칠기 변화

3.2 보조가스 압력에 따른 드래그라인 및 거칠기 변화

드래그라인(dragline)을 각각 레이저 빔에 의해 직접적으로 절단이 이루어지는 상부, 초점 근방에서 많은 용융 현상이 수반되는 중간부, 보조가스에 의해 용융금속이 외부로 배출되며 열이 일시적으로 축적되는 하부 영역으로 구분하여 분석하였다.

Fig. 5은 보조가스 압력에 따른 횡단면과 색온도차(color distribution) 절단면을 나타내며 Fig. 6는 드래그라인의 영역별 길이를 그래프로 나타내었다. 가스 압력이 증가하면서 상부의 드래그라인 길이가 점차적으로 감소하였으며, 중간부 드래그라인의 길이는 점차 증가하는 경향이 나타났다. 또한, 중간부 드래그라인이 끝나는 지점을 확인해보면 레이저 초점이 위치한 약 54 mm 근방에 나타난 것을 알 수 있다. 하부 드래그라인에서는 색온도차를 통해 확인할 수 있듯이 가스 압력이 감소할수록 내부로 공급되는 가스의 흐름이 불안정해지면서 드래그라인이 사라지는 것을 육안상으로도 확인할 수 있다. 이는 용융금속의 배출이 원활하지 못하여 내부에 머무르는 시간이 길어짐으로 인한 현상으로 판단된다.

Fig. 5

Color distribution according to assist gas pressure

Fig. 6

Dragline length according to assist gas pressure

Fig. 7에서는 각 부분별 절단면의 표면 거칠기의 그래프 및 산술 평균 조도(Ra)값을 나타내었다. 절단부 상부 표면에 가까운 곳에서는 레이저의 영향이 가장 지배적이며 가스의 흐름이 가장 안정적이기 때문에 모든 보조가스의 압력에서 낮은 Ra 값을 나타냈으나, 이후 중간부까지는 공통적으로 거친 절단면이 나타났다. 12 bar 이상의 보조가스 압력에서는 절단면의 가운데로부터 하부까지 거칠기가 낮아지며, 조밀하고 촘촘한 드래그라인이 형성된 것을 알 수 있다.

Fig. 7

Cutting surface roughness according to assist gas pressure

결과적으로 본 연구에서는 6 bar 부터 보조가스 압력을 증가시켰을 때 수중 레이저 절단이 모두 가능하였지만, 하부 커프로부터의 용융금속의 원활한 배출이 이루어지지 못해 넓은 커프폭이 형성되었다. 또한 12 bar 이상의 보조가스 압력에서는 용융금속의 배출이 원할히 이루어지며 건전한 절단면을 얻을 수 있었다.

3.3 절단부 미세조직 및 응고층의 두께 변화

3.3 절단부 미세조직 및 응고층의 두께 변화

Fig. 8에서는 보조가스의 압력에 따른 절단부 상부, 초점위치 부근의 중간부 및 하부의 미세조직을 비교해 보았다. 보조가스 압력과 관계없이 전체적으로 상부에서 하부로 갈수록 응고층의 두께가 두꺼워지는 경향을 나타냈다. 절단부 상부에서 모든 조건에서 응고층의 두께는 0.181 mm 이하로 얇게 나타났다. 초점위치 부근의 절단부 중간부에서는 응고 금속이 겹겹이 쌓인 형태의 응고층이 나타났으며, 보조가스 압력이 증가할수록 중간부의 응고층의 최대 두께는 점점 감소하였다. 절단부 하부에서는 보조가스 압력이 12 bar일 때 가장 응고층이 얇게 관찰되었다. 특히, 15 bar의 조건일 때 중간부의 용융금속 층이 가장 좁게 나타났으며 이는 레이저의 에너지가 집속되어 급격한 용융현상이 수반되는 중간부에서 보조가스 흐름이 원활히 이루어졌기 때문으로 판단된다.

Fig. 8

3D microscope images of cross-section according gas pressure (×200)

중간부 응고층의 형태 및 미세조직을 살펴보았을 때, 보조가스 압력에 관계없이 두꺼운 응고 금속층이 겹겹이 쌓인 응고층의 형태가 나타났으나 보조가스 압력이 6 bar 일 때 응고층 끝단에서 얇은 응고 금속층이 가장 많이 형성된 것을 발견할 수 있었다. 이는 낮은 보조가스 압력으로 인해 보조가스의 흐름이 불안정해짐에 따라 절단부 중간에서부터 용융금속을 원활히 밀어내지 못하여 발생한 현상으로 판단된다.

결과적으로 초점위치 부근인 중간부의 응고층에서 보조가스 압력의 영향이 가장 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 보조가스의 압력이 15 bar로 높을 때 중간부에서 용융금속을 원활히 밀어내며 응고층이 가장 얇게 형성됐다. 이를 통해 절단부의 중간 영역에는 보조가스가 지배적인 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있었다.

3.4 슐리렌 분석법을 통한 보조가스의 유동 가시화 분석

3.4 슐리렌 분석법을 통한 보조가스의 유동 가시화 분석

절단시 발생하는 전면 커프폭 변화에 따른 보조가스 유동현상을 분석하고자 슐리렌 분석법을 적용하였다. 노즐로부터 분사되는 가스의 자유 유동 및 절단 시험편을 모사한 지그를 활용하여 커프 내부에서의 가스의 유동을 가시화하였다. 수중 가압환경에서 안정적인 절단을 위해서는 절단부 내부로 보조가스를 원활히 유입시키는 것이 중요하다.

Fig. 9에서는 가스압력별 보조가스의 유동 현상을 슐리렌 분석법을 통하여 가시화하였다. 가스압력이 8 bar 이하일 때 노즐로부터 분사된 보조가스가 미치는 길이는 매우 제한적이었으며, 가스압력이 12 bar 이상일 때부터 보조가스는 아래로 길게 뻗어나가는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 12 bar 이상의 보조가스 압력으로 수중 레이저 절단을 진행하였을 때, 절단부 이면 커프형상이 직선형태를 형성하며 용융금속의 배출이 원활하게 이루어진 결과를 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 9

Schlieren images of gas flow according to gas pressure

특히, Fig. 9(c)의 보조가스 압력이 12 bar일 때 노즐로부터 분사되는 보조가스의 맥동현상을 보면 약 80 mm 지점까지 뻗어 나가는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 일정한 주기적 맥동현상은 절단부의 용융금속을 아래 방향으로 단속적으로 밀어내며, 이로인해 Fig. 8의 절단면의 응고층에서 확인할 수 있듯이, 응고층이 하나의 응고 벽이 아닌 겹겹이 적층된 형태를 나타내고 있음을 알 수 있다.

Fig. 10은 절단부 커프폭을 모사하여 제작한 지그의 갭(gap)을 만들어 절단부 내부의 가스 유동을 가시화한 사진이다. 가스의 유동을 측면에서 관측한 Fig 10(a)에 나타난 바와 같이 절단부의 커프폭이 1 mm (gap=1 mm)일 때, 커프 입구에서 내부로 가스가 유입되지 못하고 상부로 많은 양이 누설되는 것을 관찰할 수 있었다. 이 경우, 절단부 내부에서는 가스의 유동이 직진성을 가지지 못하고 절단하고자 하는 면으로부터 멀어지는 것을 확인할 수 있었다. 커프폭이 2 mm 이상일 때부터는 커프 입구에서의 가스 누설이 감소하였고 높은 직진성을 가지고 절단하고자 하는 면의 아래까지 분사되는 거동을 관찰할 수 있었다. 커프폭이 3 mm 이상일 때는 오히려 넓어진 커프폭으로 인하여 커프폭 2 mm 일 때 보다 절단부 하부에서 유동이 균일하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 또한 가스의 유동을 전면에서 관측한 Fig. 10(b) 에서도 커프폭이 1 mm 일 때는 절단부 전면에서 외부로 유출되는 가스의 양이 많고 커프 내부로 유입되는 가스의 양이 적으며, 커프폭이 약 2 mm 이상일 때 커프 내부로 가스가 안정적으로 유입되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 10

Schlieren images of gas injection to model kerfs according to gap

슐리렌 분석을 통해서 전면 커프폭이 절단부 내부로 유입되는 보조가스의 흐름에 영향을 주는 중요한 인자임을 확인할 수 있었다. 커프폭이 약 2 mm 전후 일 때, 절단부 내부에서의 유동이 가장 우수하였고, 안정적인 절단이 이루어질 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 앞선 80 mm 두께 스테인리스강의 절단시 보조가스 압력이 12 bar 이상일 때 절단부 내부로 보조가스가 원활히 유입되어 안정적인 절단이 가능다는 것을 알 수 있었다.

4. 결 론

수중가압환경에서의 레이저 절단시 절단 성능에 미치는 보조가스 압력의 영향을 분석하기 위하여, 가압수조를 구성하고 보조가스의 압력을 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 또한, 커프폭과 보조가스 흐름 사이의 관계를 확인하기 위해 슐리렌 분석을 통한 보조가스의 유동현상을 가시화하여 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

• 1) 보조가스의 압력이 9 bar 이하로 낮을 때는 절단부 내부로 공급되는 가스의 양이 충분하지 않아 이면부에서 불안정한 커프의 형상이 나타났다. 보조가스 압력 12 bar 이상의 조건에서 용융금속을 원활히 밀어내어 이면 커프에서는 안정적인 커프 형상을 관찰할 수 있었다.

• 2) 가스압력이 증가하면서 상부 드래그라인의 길이가 감소하였으며, 중간부 드래그라인의 경우 레이저 초점이 위치한 절단부 내부 약 54 mm 근방까지 나타났다. 하부 드래그라인에서는 색온도차를 통해 확인할 수 있듯이 가스 압력이 9 bar 이하로 낮을 때, 내부로 공급되는 가스의 흐름이 불안정해지면서 용융금속을 원활히 밀어내지 못하여 드래그라인이 불분명해지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 절단부 상부 표면에서는 낮은 Ra 값을 나타냈으나, 중간부에서 하부까지는 거친 절단면이 나타났다.

• 3) 초점위치 부근인 중간부의 응고층에서 보조가스 압력의 영향이 가장 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 초점위치 부근의 절단부 중간부에서는 응고 금속이 겹겹이 쌓인 형태의 응고층이 나타났다. 보조가스 압력이 증가할수록 중간부의 응고층의 최대 두께는 점점 감소하였으며, 보조가스의 압력이 15 bar로 높을 때는 중간부에서 용융금속을 원활히 밀어내며 응고층의 폭이 가장 좁게 형성되는 것을 관찰할 수 있었다.

• 4) 절단부의 전면 커프폭 변화에 따른 보조가스 유동 현상을 분석하기 위해 슐리렌 법에 의해 가시화하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

  • ① 12 bar 이상일 때부터 보조가스는 아래로 길게 뻗어나가는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 12 bar 이상의 보조가스 압력으로 수중 레이저 절단을 진행하였을 때, 절단부 이면 커프형상이 직선형태를 형성하며 용융금속의 배출이 원활하게 이루어진 결과를 반영하고 있었다.

  • ② 12 bar 이상의 압력에서 수반되는 보조가스의 주기적 맥동현상은 절단부의 용융금속을 아래 방향으로 단속적으로 밀어내며, 이로 인해 절단면의 응고층이 하나의 응고 벽이 아닌 겹겹이 적층된 형태를 나타내고 있음을 알 수 있었다.

  • ③ 커프폭(갭)이 1 mm 일 때, 커프 입구에서 내부로 가스가 유입되지 못하고 상부로 많은 양이 누설되는 것을 관찰할 수 있었다. 이 경우, 절단부 내부에서는 가스의 유동이 직진성을 가지지 못하고 절단하고자 하는 면으로부터 멀어지는 것을 확인할 수 있었다.

  • ④ 커프폭이 2 mm 이상일 때부터는 커프 입구에서의 가스 누설이 감소하였고 높은 직진성을 가지고 절단하고자 하는 면의 아래까지 분사되는 거동을 관찰할 수 있었다.

  • ⑤ 따라서, 슐리렌 분석을 통해 전면 커프폭이 절단부 내부로 유입되는 보조가스의 흐름에 지대한 영향을 주는 중요한 인자임을 확인할 수 있었다.

• 5) 보조가스의 압력이 절단 성능에 미치는 영향을 평가하고 보조가스의 유동현상을 슐리렌 분석으로 가시화한 결과, 전면 커프폭이 2 mm 이상 확보되고 보조가스의 압력이 12 bar 이상일 때 절단부 내부로 보조가스가 원활히 유입되어 안정적인 절단이 가능다는 것을 알 수 있었다.

Acknowledgments

This work was supported and funded by the National Research Council of Science and Technology (Project number: NK244A, 2023, KOREA)

This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE) of the Republic of Korea (No. 1415186691).

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