재료거동 전산모사 다중스케일 모델링 프레임 구축

개요

방사선을 포함한 원자력 환경에서 재료거동은 시간·공간적으로 광범위하기에 단일 모델로 설명하는데 제한이 있다. 또한 재료의 조사후 특성을 평가하는데 전적으로 시험적 방법에 의존할 수 없는 것이 현실이다. 따라서 원자력 환경에서 재료손상을 효과적으로 예측하기 위하여 다중스케일 모델링 (Multiscale modeling) 방법이 사용되고 있다. 고에너지 입자와 재료의 구성 입자간 충돌에 의한 displacement 반응으로부터 생성된 점결함이 다양한 미세조직을 형성하고 최종적으로 재료의 물성을 변화시키는 일련의 현상을 여러 모델을 결합하여 설명할 수 있다.

본 연구팀은 2005년부터 원자로압력용기의 조사취화를 예측하는데, 실험적인 방법과 더불어 전산모사기법의 개발을 원자력기술개발사업의 일환으로 수행하여 왔다. 중성자 반응에 의한 충돌현상 모사를 위한 전산코드를 해외에서 도입하였고, 미세구조 형성 및 기계적 특성을 예측하기 위한 독자코드를 개발하였다. 원자력재료 조사효과의 전산모사 연구는 원자력 및 재료공학 이외의 다양한 분야 (양자광학 및 전산공학)의 전문지식을 필요로 하기에 구축하는데 다소 시간이 소요된다. 재료손상 전산모사 연구의 효율적인 수행을 위하여, OECD NEA, IAEA, EU FP 등 해외 공동연구 프로그램과의 협력을 통하여 다중스케일 연구기반을 마련하였다.

조사효과 다중스케일 모델링

다중스케일 모델링 수립을 위해서는 해당 시간·공간 영역에서 발생되는 현상을 수학적으로 표현하는 것이 중요하다. 또한 여러 개의 모델이 연결되어 있기 때문에 한 모델에서 계산된 결과를 다음 모델로 전달할 때 주의가 필요하다. 그림 1은 조사효과 다중스케일 모델의 기본 프레임을 보여주고 있다. 시간과 공간의 범위에 따라서 다양한 전산코드 등이 사용되는 것을 알 수 있다.

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그림 1. 조사효과 다중스케일 모델링 기본

다음은 본 연구에서 수립된 중성자조사 원자로압력용기강 조사취화 예측 다중스케일 세부모델에 대한 설명을 요약하였다.

방사선 조사손상 기본 파라메터 계산

중성자에 의한 손상량을 계산하는데에는 SPECTER라는 전산코드를 이용한다. 이 코드를 실행하기 위해서는 기본 입력자료로서 중성자 스펙트럼이 필요하며, 계산결과로 손상량 (dpa), 핵변환 가스 생성량 및 PKA (Primary Knock-on Atom) 스펙트럼을 생산한다. 중성자 이외의 고에너지 입자에 의한 손상량은 SRIM/TRIM 전산코드를 이용할 수 있다. 특히 가속기를 이용한 이온조사 실험에서는 기속이온의 침투 깊이가 중요한데 SRIM/TRIM 전산코드를 이용하여 용이하게 계산할 수 있다. 그림 2는 TRIM에서 계산된 이온의 침투깊이에 따른 손상량 분포를 보여준다. 수 MeV의 에너지를 가지는 전이 금속은 금속 표면에서 수 μm 정도까지 침투할 수 있다.

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그림 2. SRIM/TRIM으로 계산한 8 MeV Fe 이온의 침투깊이

분자동력학 계산

초기 방사선과 충돌반응에 의하여 생성된 PKA(Primary Knock-on Atom)는 충분한 양의 운동에너지를 전달받는다. 이 PKA와 재료 구성입자간의 연쇄 충돌반응은 displacement cascade를 유발한다. 이를 정량적으로 모사하기 위해서는 분자동력학 기법이 이용되는데, 대표적인 금속 재료의 연쇄충돌 반응을 모사하는 전산코드가 MOLDY이다. 이 계산을 수행하는데 필요한 주요 입력자료는 이전 단계 계산결과인 PKA 에너지이다. 코드 계산 결과로써, 중성자 충돌 후 매우 짧은 시간 동안에 형성되는 점결함의 개수 및 공간적 분포를 얻을 수 있다.

Kinetic Monte Carlo (KMC) 계산

방사선 조사에 의하여 생성된 점결함은 확산 및 이동에 의하여 새로운 미세구조 (결함 루프, void) 등을 형성하는데 이를 모사하기 위한 방법으로 KMC 방법이 이용 된다. 분자동력학 계산 스케일에 비하여 시간·공간적으로 확대된 영역에서 모사가 가능하다. 분자동력학에서 계산된 점결함 생성량 및 공간 배열이 주요 입력자료로 사용되며, 다양한 결함의 확산계수, 구성에너지 및 이동 에너지와 같은 기본적인 물성 자료도 필요하다. 현재 KAERI에서는 해외에서 입수한 BIGMAC 전산코드를 기반으로 독자 코드, NOKMCS가 개발되어 있다.

전위동력학 계산

금속의 변형은 재료 내부에 존재하는 선결함, 전위와 미세구조의 반응에 의해서 결정된다. 방사선 조사에 의하여 생성·발전된 미세구조는 재료의 특성을 변화시키며, 특히 조사경화 현상을 유발하는 인자로서 주요한 역할을 한다. 전위의 운동과 이를 방해하는 결함과의 반응을 모사하기 위해서는 전위동력학 전산방법을 이용한다. 현재 KAERI에서는 개발된 전위동력학 코드를 이용하여 조사결함에 따른 재료의 기계적 특성변화를 계산할 수 있다.

Document ID: d20120010