기술내용

방사선에 조사된 대부분의 원자력재료는 초기물성이 변화하게 되는데, 이를 예측하는 방법으로 전산모사 방법이 연구되고 있다. 원자력 발전소의 구조재료는 방사선 조사조건 즉, 중성자 조사량, 조사율 및 온도에 따라서 그 특성이 변화하는데, 과학적 이론과 공학적 방법을 이용하여 특성변화를 예측하기 위하여 전산코드를 개발하고 있다. 조사결함의 생성, 성장 및 미세구조 형성 그리고 이로 인한 재료의 기계적 특성변화를 각 단계에 적합한 시간 및 공간 스케일에 따라 모델링을 구축하였다. 이를 다중스케일 (multiscale) 모델링 전산모사라 일컫는다. 전산모사에 의한 원자력재료 조사효과 예측기술은 현재 개발과정에 있으며, 실험에 의한 검증·평가와 병행하여 개발되고 있다. 컴퓨팅 파워의 부족과 이론적 모델링의 한계로 인하여 추가적인 연구 및 개발이 계속되고 있으며, 개발 코드의 검증을 위하여 실험으로 보완할 필요가 있다. 아래 그림은 원자력재료 조사효과 분야에서 수립된 다중스케일 모델링 체계와 각 계산결과를 검증할 수 있는 시험법을 요약해 놓았다.

그림 1. 다중스케일 모델링을 이용한 원자력재료의 조사효과 모사

원자력재료개발부 전산모사팀에서 지난 7년간 구축한 조사효과 예측용 전산코드를 소개하고 이를 활용하여 원자로 내부구조물 재료(스테인레스강)의 인장 특성을 계산해 본다. 각 단계별 전산코드의 특성을 간략히 설명함으로써 원자력재료 조사손상 연구를 수행하려는 분들께 도움이 되고자 한다.

1. SRIM/TRIM

• 목적: 고에너지 이온조사에 의해서 형성되는 조사손상량 계산 및 이온 deposition profiles 계산, 다양한 이온소스를 활용한 재료 표면 modification 및 implantation 시 현상을 예측하는데 사용되는 Monte carlo simulation code 이지만 Nuclear science 분야에서는 이온조사에 따른 재료 내부의 조사손상량 계산 및 이온 deposition profile을 계산하는 방법으로 활용 가능함.
• 주요 입력데이터: 이온조사 조건(에너지), 재료물성(displacement threshold energy, lattice binding energy, 종류), 계산 방법 (Kinchin and Pease damage calculation, Full Cascade calculation).
• 주요 생산테이터: Vacancy 농도, Recoil 에너지, Ion implantation 범위.
• 특징: 깊이별 vacancy 양과 조사량으로 재료 내부의 조사손상량을 계산할 수 있음. 깊이별 ion implantation 값을 이용하여 재료 내부의 이온의 양을 깊이별로 예측 가능함.
• 개발자: J.F.Ziegler, M.D.ziegler, J.P.Biersack (www.srim.org)

그림 2. 8MeV Fe ion 조사(5.6E14 ion/cm2) 에 의한 Fe 내부에 발생하는 조사손상량 계산 결과 (Vacancy.txt, Full cascade, Displacement threshold energy : 40eV)

2. SPECTER

• 목적: 중성자에 조사된 다양한 재료에 생성된 조사손상 파라메터를 계산.
• 주요 입력데이터: 중성자 스펙트럼(flux, energy group).
• 주요 출력데이터: 조사손상량(dpa, displacement per atom), dpa cross section, 핵변환 가스생성량(Hydrogen, Helium), 충돌원자 에너지 스펙트럼 및 평균에너지.
• 특징: ENDF/B-V로부터 중성자 반응단면적과 충돌 원자에 전달된 에너지를 고려하여 100 group의 중성자 에너지에 대한 dpa cross section이 전산코드 내 데이터 파일에 내장되어 있음. 따라서 사용자에게 매우 편리함.
• 개발자: L. R. Greenwood & R. K. Smither(ANL, US)
• Code Status: Available

그림 3. Specter를 이용한 초기손상 계산 결과

3. MOLDY

• 목적: 고에너지 입자의 충돌현상으로 생성되는 초기손상 정량화.

• 주요 입력데이터: PKA(Primary Knock-on Atom) 특성(에너지, 위치, 입사 방향), 계산 cell 크기, 원자간 포텐셜, 온도 등.

• 주요 출력데이터: 시간 진행에 따른 격자 원자의 위치 및 에너지, 점결함(vacancy & interstitial) 개수 및 위치.

• 특징

  • BCC 금속의 displacement cascade 계산전용 코드(FORTRAN)
  • 주기적 경계조건(Periodic Boundary Condition) 적용
  • 미분방정식 solver로서 4-value predictor-corrector 방법 사용
  • 초기결함을 시각화하기 위해서는 시각화 전용코드 필요 (ex. PyMOL)

• 개발자: A. Calder (UK)

• Code Status: Available

그림 4. 시간 변화에 따른 점결함 생성 및 소멸 과정

그림 5. MOLDY 계산결과 분석: 초기 점결함 크기 분포

4. BIGMAC

• 목적: 재료 내부의 점결함(조사결함 포함)의 시간에 따른 변화 양상을 장시간 동안 계산.
• 주요 입력데이터: 재료 결함의 이동도, 농도, 상호작용 속도.
• 주요 출력데이터: 시간에 따른 조사결함의 분포, 공간 내에서의 위치 분포.
• 특징: 입력데이터에 따라서 결함의 확산 속도, 성장 거동, 조사결함의 축적 등을 다양하게 계산할 수 있으며, 특히 실제 실험상의 결과와 비교 가능한 시간까지 전산모사를 수행할 수 있는 장점이 있음.
• 개발자: Lawrence Livermore National Lab. US
• Code Status: Available (비공개 software)

그림 6. Fe에서 1회의 중성자 조사에 의하여 발생한 조사결함 농도의 시간에 따른 변화

5. KARADE

• 목적: 재료 내부의 결함 농도를 시간에 따른 미분방정식을 이용하여 기술하여 초기조건과 시간에 따른 농도 변화를 수치해석적으로 계산.
• 주요 입력데이터: 초기 결함 농도, 결함간 반응상수, Sink strength.
• 주요 출력데이터: 시간에 따른 결함 농도 변화.
• 특징: 매우 저농도에서부터 계산이 가능하며, 1e10 초 까지 계산가능. 결함의 공간 분포를 구할 수는 없으나, 시간에 따른 변화 양상을 수치적으로 해석 가능.
• 개발자: 이경근(한국원자력연구원)
• Code Status: Available

그림 7. Fe에서 시간에 따른 조사결함의 농도 변화

적용분야

세계적으로 방사선 환경에 노출된 원자력재료의 특성 변화를 예측하는데 다중스케일 전산코드가 구축 중에 있다. 위에서 설명한 각 코드를 결합하여 시간에 따른 기계적 물성을 예측함으로써 최종적으로 원자력 발전소의 계속운전에 수반되는 안전성 평가에 적용이 가능하다. 장기운전에 따른 원자력 재료의 열화량 평가 및 발전용량 증가에 따른 재료의 건전성 평가에 사전자료로 이용이 가능하다. 이 밖에 원자력재료 조사시험에 상당한 비용 및 비용을 필요로 한다. 또한 방사화 재료를 취급하는데 방사선 피폭이라는 위험도 수반된다. 이를 극복하는 한 가지 방법으로 과학적 지식과 이론에 바탕을 둔 전산모사 기법이 활용될 수 있다.

적용사례

원자력재료 조사효과 예측을 위한 연구가 현재 계속해서 진행 중에 있는데, 현재까지 실재에 작용되지는 못했지만 수립된 기술로서 다음과 같은 재료열화 현상을 예측할 수 있다.

• 중성자 조사량 증가에 따른 원자로 압력용기강 및 스테인레스강의 기계적 특성 예측 (항복강도 및 파괴 특성 - BDTT)
• 중성자 조사량 증가에 따른 내부구조물 재료(스테인레스강)의 편석량 예측

Document ID: d20130016