연구배경
원자로는 운전중에 핵연료의 핵반응으로 생성된 중성자에 의하여 손상을 받게 된다. 일반적인 재료열화 현상과는 달리 방사선 조사열화는 이에 대한 진단, 평가, 대처기술에서 매우 제한적이며 고난도의 기술이 요구된다. 원전재료의 중성자 조사손상 관련 주요 대상은 원자로 압력용기강의 조사취화, 노내구조물 부품재료의 조사유기응력부식 및 조사팽윤, 압력관재료의 조사취화 등을 들 수 있으며, 특히 원자로압력용기의 조사취화는 원전의 수명을 결정하는 매우 중요한 열화요인으로 지목되어 계속적인 감시 진단이 수행되고 있다. 뿐만 아니라, 현재 검토되고 있는 다양한 미래형 원자로들은 가동 원전에 비하여 높은 온도 및 고방사선 조사 조건이 요구되며, 이에 대응하는 재료기술이 필수적으로 뒷받침되어야 한다. 특히 미래형 원자로를 위한 신재료를 연구개발하기 위해서는 다양한 방사선 조사 조건에서 재료의 거동특성이 필수적으로 확보되어야 한다. 원자로압력용기의 중성자 조사에 의한 기계적 특성변화는 그림 1과 같이 조사량이 증가할수록 항복강도가 증가하고, 온도에 따른 파괴인성곡선에서 인성-취성 천이온도가 상승하며, 최대흡수에너지는 감소한다.
그림 1. 조사량에 따른 항복강도의 증가 및 온도에 따른 조사취화
고리1호기 수명연장과 일본 후쿠시마원전 사고로 원전의 안전운전과 그 안전성의 증명에 대한 일반인들의 관심이 매우 높아지고 있다. 원전의 수명연장에 따른 원자로의 안전성이 확보됨을 증명하는 데는 감시시험 결과를 사용한 예측 모델을 적용한다. 이에는 운전이력에 따른 중성자 조사량과 압력용기강을 구성하고 있는 성분들을 변수로 하여 상호 상관관계로부터 구한 예측식을 적용하고 있다. 실재 측정 데이터로부터 구한 예측모델을 이용하였기 때문에 그 신뢰성은 보장할 수 있다. 그러나 이러한 실증적 방법은 측정 횟수, 시료 종류 및 시료 확보에 한계가 있으며, 시료의 방사화로 인하여 특수시설에서 수행하여야 하는 문제점들을 갖고 있는 것도 사실이다. 그리고 예측 모델에서도 변수와의 상관관계를 설명하는데 있어서 중성자 조사량과 구성성분과의 물리적 기본이론으로는 설명할 수 없는 실험식이기 때문에, 조사취화에 대한 저항성을 보유할 수 있는 압력용기강의 개발에도 한계가 있다. 이에 각 재료변수의 역할에 대하여 물리적 기본이론에 근거한 예측 모델을 개발하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 또한 최근 재료과학분야에서 시도되고 있는 재료전산과학의 접근방법의 하나인 multiscale modeling 기법을 이용한 조사손상 전산모사 기술을 2004년부터 도입하여 실험적 접근방법에서 벗어나서, 재료과학의 기본이론인 원자간 결합으로부터 출발하여 중성자조사에 의한 결함생성, 그로부터 영향을 받는 기계적 특성변화를 예측하는 연구가 진행되고 있다.
연구방법
원자로 구조재료의 조사손상 효과를 예측할 수 있는 모델을 수립하기 위하여, 기존에 NRC의 Regulatory Guide 등에서 제시하는 예측식을 기반으로하여 조사손상에 영향을 주는 변수들의 상관관계를 파악하고, 이들 관계를 재료의 기본적인 특성에 관한 이론을 적용하여 실험에 의한 오차 및 분산의 영향을 최소화하는 방법을 개발하고자 한다. 압력용기강의 조사경화 및 조사취화는 물론이고, 노심재료에 대한 특성변화를 예측하고자 한다. 스텐레스강으로 구성된 노심재료에서 수명연장에 따른 영향을 평가함으로써 기존에는 고려하지 않아도 된 조사유기응력부식균열 현상을 예측하고자 한다. 실험결과로부터 통계적방법을 이용한 예측 모델의 개발과 함께 multiscale modeling에 의한 전산모사 방법을 적용하고자한다. Multiscale modeling은 다음 그림 2와 같이 분자동력학, kinetic Monte Carlo 및 전위동력학 방법을 적용할 것이다.
그림 2. 조사손상 전산모사 연구 체계 (Multiscale model).
기대효과
기존의 연구접근방법의 패러다임에서 벗어난 새로운 시도를 함으로써, 조사손상 예측의 한계를 극복하고자 한다. 따라서 원전의 수명연장과 관련하여 원전의 안전성 유지 차원에서 기존의 방법을 포함한 다양한 방법으로 안전을 확보하기 위한 접근을 시도함으로써 일반인들로부터 보다 신뢰를 얻을 수 있도록 최선을 다함을 보여줄 수 있다. 많은 시간과 비용을 동반하는 실험적방법을 탈피할 수 있는 가능성을 보여 줄 수 있는 기회가 될 것이다. 최소한 조사손상 연구의 새로운 접근을 여러 분야의 재료현상 연구에도 적용할 수 있다는 가능성을 제시할 수 있을 것이다.