개요
2012년 3월부터 2017년 2월까지 수행된 “장기가동 원전재료 안전성 향상 신기술 개발” 대과제의 4세부과제인 “전산모사 기반 재료손상 예측기술 개발” 과제에서 성취한 주요 연구 성과를 간략히 정리하였다. 첫 번째는 전산모사를 기반으로 원자로 재료의 조사손상에 대한 모델링을 수행한 것이며, 두 번째는 조사손상에 대한 최신 분석기술을 도입하여 조사손상량을 정밀하게 평가한 것이다.
조사손상 모델링 분야
원자로용기강 조사취화 모델링
경수로 감시시험 결과와 연동된 경수로 압력용기강 조사취화 예측 모델을 개발하였다. 이를 위해서 분자동력학, 키네틱 몬테카를로, 반응속도론 등의 개별적인 전산모사방법을 연동시켜 재료단위 조사손상 멀티스케일 모델링의 기반을 구축하였다. 항복응력과 연성-무연성천이온도 간의 경험적인 상관관계를 구축하고, 장시간 운전시 존재할 수 있는 석출물에 대한 거동을 분석하여 조사량에 따른 기계적물성 변화를 예측하였다. 또한 장기운전시 원자로압력용기강의 취화인자로 작용할 수 있는 잠재적 석출물(Late Blooming Phase)의 발생가능성을 열역학적 분석을 통하여 확인하였다. 본 연구를 통하여 저합금강의 중성자 조사취화에 대한 분석 및 예측에 대한 기반을 확립하였다.
그림 1. 원자로용기강 조사취화 모델링 주요 결과 소개
내부구조물 재료 조사손상 모델링
내부구조물 재료로 쓰이는 스테인리스강은 압력용기강보다 고조사/고온 환경에서 사용된다. 이 때 발생하는 조사손상은 크게 경화, 편석, 팽윤(스웰링)이다. 조사경화량 계산을 위해서 반응속도론을 기반으로 점결함-클러스터의 시간에 따른 변화량을 계산할 수 있는 전산프로그램을 개발하였다. 계산된 클러스터의 크기와 분포를 이용하여 항복강도 변화량을 예측할 수 있다. 계면 또는 결함 주위에서 조사 중 발생할 수 있는 합금 원소의 편석 또는 고갈량을 계산하기 위하여 4원계 모델합금에서 편석량을 계산할 수 있는 전산프로그램을 만들었으며, 실제 이온조사시험과의 원소분포를 비교하여 검증하였다. 마지막으로 phase field theory 기반의 스웰링 계산 전산프로그램을 개발하였다. 이는 조사량에 따른 void 분포를 정량적으로 예측할 수 있다. 각각의 프로그램은 IASCC(Irradiation-Assisted Stress Corrosion Cracking)과 같은 복합적인 열화현상의 입력자료로 활용되어, 고비용/장시간이 소요되고, 피폭위험성이 있는 중성자 조사시험을 보완할 수 있다.
그림 2. 내부구조물 재료 조사손상 모델링 주요 프로그램 소개
조사손상 분석기술 분야
마이크로 역학기반 물성평가
중성자 조사시편의 경우, 조사로 인하여 시편에 방사화가 발생할 수 있어, 재료의 취급과 특성의 변화를 측정하기 어렵다. 이를 위해서 일반적인 시편보다 매우 작은 극미세시편을 제작하였고, 마이크로 역학 기반으로 시험하여 재료의 물성 변화를 평가하는 새로운 기술을 도입하였다. 주 재료로 원자로용기 재료를 이용하였고, 양성자 시험을 통하여 조사손상량을 조절한 후, 이 시편들을 나노경도 측정 및 마이크로 필라 테스트를 통하여 기계적특성을 확인하였다. 획득된 마이크로 역학시험 결과는 매크로 역학시험과의 비교를 통하여 상호 관계식을 도출하였고, 이를 통하여 극미세시편을 이용한 물성평가로 일반시편을 이용한 결과로 계산할 수 있도록 하였다. 중성자 조사시험 대체 양성자 조사시험 기반기술의 확보를 통하여 추후 중성자 조사시편의 물성 평가에도 적절히 사용될 수 있다.
그림 3. 마이크로 역학기반 물성평가 실제 사용 사례
중성자 조사재 원자탐침 분석
압력용기 재료는 장시간 중성자 조사에 의하여 일반적인 분석방법으로는 관찰하기 어려운 극미세결함 클러스터를 형성한다. 이에 대한 정량적인 분석을 위하여 압력용기 재료를 국내 연구로에서 중성자 조사하고, 국외기관에 인력 파견 및 시편 이송을 통하여 극미세시편을 제작하였다. 제작된 시편은 원자탐침분석법(Atom Probe Tomography)를 통하여 중성자 조사 시편 내에 존재하는 원자단위 클러스터의 형상, 크기, 분포를 국내 최초로 획득하였다. 이를 통하여 Si이 많은 압력용기 재료에서 조사에 의하여 Ni-Si 클러스터가 발생하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통하여 원자탐침분석 관련 국외 노하우를 습득함으로써, 고조사재 미세구조 분석용 기반기술을 확보하였다.
그림 4. 중성자 조사재 원자탐침 분석 결과