개요
가압경수형 원전에 사용되는 구조재료들은 운전 중 고에너지 중성자 조사에 의한 열화가 발생하게 된다. 또한 차세대 원자력 시스템의 구조재료들은 높은 온도와 높은 중성자 조사 환경에 노출되어 보다 높은 안전성을 요구하게 된다. 고에너지 중성자 조사는 재료 내부의 원자들의 격자 이탈을 유발하여 공공 등이 발생하게 되고 이들의 성장으로 인하여 전위루프, 기공, 화학적 불균일성 그리고 클러스터링 및 석출물들이 발생하게 된다. 이러한 조사 유기 현상들로 인하여 조사경화/취화, 조사팽윤, 조사크리프 그리고 IASCC (Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking) 등이 가속화되기도 한다. 따라서 온도 및 조사량에 따른 구조재료 내부에서 발생되는 현상들에 대한 이해가 필요하다. 본 연구팀에서는 구조재료들의 조사에 의한 미세조직 변화에 미치는 영향을 분석할 수 있는 관련 장비 및 기술들을 원자력 중장기 연구개발 과제의 일환으로 구축 및 개발하게 되었다. 전자 및 이온 가속기를 활용한 중성자 조사효과 모사재 제작시 필요한 기초적인 시편 제작 장비 구축, 서브나노스케일의 조사 공공 분석을 위한 양전자 소멸 분광 분석 장비 (Positron Annihilation Spectroscopy, PAS)의 구축 및 분석의 선진화, 나노스케일 결함 및 석출물 분석이 가능한 고분해능 투과전자현미경(Field Emission Gun-Transmission Electron Microscope, FEG-TEM)의 설치 및 분석기법의 고도화를 성공적으로 수행하였다. 또한 최근 높은 관심을 가지고 있는 구조재료 내부의 특정 원소들의 국부적인 클러스터링에 관한 연구도 원자 탐침 분석장비 (Atom Probe Tomography, APT)를 활용하여 수행하고 있다. 이러한 관련 기술개발의 과정은 IAEA CRP 등 국제협력연구를 통해 기술의 선진성 및 신뢰성을 유지할 수 있도록 하였으며 다양한 구조재료를 대상으로 축적된 분석 기술과 경험들은 전산모사 기반 재료열화 손상 예측 방법의 완성에 직접적으로 활용되고 있다.
원자력 구조재료 조사결함 분석용 장비 및 신기술
원자력 구조재료의 조사유기현상을 이해하기 위해서는 중성자 조사재의 직접적인 분석이 필요하다. 하지만 중성자 조사를 받은 재료는 방사화 문제로 시간과 비용의 소모가 커서 이온 및 전자 조사를 통하여 조사현상을 이해하는 연구도 병행하여 시도 되고 있다.
PAS 분석은 원자력 시스템의 활용되고 활용될 구조재료들의 매우 미세한 서브나노크기의 공공 형성 현상을 분석할 수 있다. 중성자 조사재 뿐만 아니라 전자조사를 받은 조사재를 대상으로 PAS를 활용하여 공공결함이 조사 전후 어떻게 변화하고 있는지를 분석할 수 있으며 분석 결과는 초기 충돌현상을 모사할 수 있는 분자동력학 결과와 비교 할 수 있다.
이온가속기를 활용하는 것은 단기간의 높은 조사량 조건의 시험편을 제작할 수 있는 장점이 있지만 매우 얇은 영역의 국부적인 손상층을 만드는 단점이 있다. 따라서 이온조사재의 조사결함 분석은 PAS보다는 FEG-TEM을 활용한 분석이 보다 적극적으로 수행되고 있다. 이온조사 시험편을 대상으로 분석시편 제작할 때 주로 FIB(Focused Ion Beam)을 활용하게 되지만 FIB는 시편 제작중 표면의 손상층을 발생시키게 된다. 이를 극복하기 위하여 저에너지 이온밀링 기법을 적극적으로 활용하여 최적의 분석시편 제작 신기술을 정립하게 되었다. 정립된 제작기법을 활용하여 중성자 조사를 모사한 다양한 조건의 분석시편을 제작할 수 있으며 특히 경수로 구조재료인 스테인리스강의 결정립계면에서의 화학조성 변화 및 차세대 구조 재료로 활용된 FeCr 합금의 조사결함 분석을 가능케 하였다. 나노크기의 조사결함 분석뿐만 아니라 in-situ 분석기법을 활용하여 변형/열적 거동에 대한 분석도 수행할 수 있다. 이러한 분석결과는 분자동력학 및 전위 동력학 전산모사 결과와 비교할 수 있다.
최근 경수로 원자로 압력용기와 내부 구조물에 대한 고 조사량 환경에서의 미세조직 변화에 대한 연구가 주목받고 있다. 장기가동시의 안전성을 높이기 위하여 높은 중성자 조사를 받은 재료 내부의 국부적인 클러스터링 현상에 대한 이해가 요구되고 있다. APT 분석 기술은 재료 내부의 클러스터링 현상을 이해하는데 있어서 가장 적합한 분석 장비이며 현재 연구원이 보유하고 있지 않지만 국내 유일의 포항 나노기술 집적센터내의 APT 장비를 활용하여 시편 제작 및 기본적인 분석기법을 정립하게 되었다. 아래 그림들은 각 분석장비들과 분석결과의 예를 보여주고 있다.
그림 1. 조사결함 분석장치