핵융합로용 구조 재료의 후보재인 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 (RAFM steel: Reduced Activation Ferritic-Martensitic steel)이 국내에서 개발 중이다. 이 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 강도와 파괴인성을 동시에 증가시키기 위해 Ti 을 첨가한 것이 특징이다. 이 신규 개발 강재의 조사 전 기계적 물성은 관련 연구의 선도국인 유럽 연합, 일본 등에서 개발된 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강과 비교하여 우수한 것으로 나타났다. 그런데 핵융합로용 구조 재료의 경우 ...
핵융합로용 구조 재료의 후보재인 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 (RAFM steel: Reduced Activation Ferritic-Martensitic steel)이 국내에서 개발 중이다. 이 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 강도와 파괴인성을 동시에 증가시키기 위해 Ti 을 첨가한 것이 특징이다. 이 신규 개발 강재의 조사 전 기계적 물성은 관련 연구의 선도국인 유럽 연합, 일본 등에서 개발된 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강과 비교하여 우수한 것으로 나타났다. 그런데 핵융합로용 구조 재료의 경우 핵융합 과정에서 발생하는 14.1 MeV의 고에너지 중성자에 노출되는 가혹한 환경에서 사용된다. 이에 대해 본 연구에서는 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 조사 후 기계적 물성 및 스웰링 특성 평가방법을 개발하였고, 국내 재료연구소의 신규 개발 강재인 Ti 첨가형 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 조사 후 물성 평가에 적용하여 그 결과를 선도 개발 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강재인 Eurofer97과 비교하고자 한다. 우선 핵융합로에서 발생하는 중성자에 의한 구조재의 기계적 물성 변화를 모사하기 위하여 가속기를 이용한 이온 조사를 수행하였다. Ti 첨가형 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강과 Eurofer97에 대하여 같은 이온조사 조건을 적용해 비교 강재에 대해 신규 강재의 물성 변화를 비교하였다. Fe3+ 이온이 조사된 영역과 조사되지 않은 영역에 각각 집속이온빔 (FIB)를 이용하여 마이크로 원기둥을 제작하고 나노인덴터를 이용한 마이크로 원기둥 압축 시험으로 측정된 항복 응력을 통해 조사 경화 정도를 비교하고 평가하였으며 Fe3+ 이온에 의해 형성된 조사 결함을 투과전자현미경 (TEM)을 통해 확인하였다. 그리고 스웰링 특성 평가를 위해 He 이온의 가림막 역학을 해주는 TEM Grid가 부착된 시료들에 He 이온을 주입한 후 He 이온의 조사량 및 Ti 첨가형 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 Tempering 온도에 따른 스웰링 현상 발생 정도를 평가하였다. 스웰링 현상 발생 정도는 Optical profilometer를 활용하여 각각의 시료에 대한 He 이온이 조사된 영역과 조사되지 않은 영역에서의 표면 조도 차이를 측정하여 평가하였다. 실험 결과 비조사재와 조사재간의 항복 응력 차이를 보면 신규 개발 강재 (E97+Ti) 강의 경우 634 MPa로부터 911 MPa로 43.7 % 증가하였고 기존 강재 Eurofer97의 경우 557 MPa로부터 784 MPa로 40.8 %의 증가량을 보여 조사 경화 정도에서 큰 차이를 보이지 않았다. 스웰링 평가에서는 He 이온의 최대 농도가 11,000 appm일 경우에는 평균적으로 Eurofer97에서 20.1 nm, (E97+Ti)-T650에서 14.9 nm, (E97+Ti)-T700에서 18.4 nm, (E97+Ti)-T750에서 21.4 nm의 조도 단차를 가졌으며 22,000 appm일 경우에는 Eurofer97에서 20.1 nm, (E97+Ti)-T650에서 21.6 nm, (E97+Ti)-T700에서 24.5 nm, (E97+Ti)-T750에서 20.6 nm의 조도 단차를 보였다. 다. He 이온의 최대 농도가 일정량보다 높아지게 되면 스웰링 저항성 면에서 기존 강재보다 신규 개발 강재가 열화를 보이는 것으로 나타나지만 실사용 환경에서는 핵융합로를 20년간 휴동 없이 운용하는 경우 대략 9,000 appm, 즉 본 실험의 11,000 appm He 농도보다 낮아 결과적으로 신규 개발 강재의 스웰링 저항성이 더 뛰어남을 알 수 있다. 결과적으로 기존 Eurofer97과 비교하였을 때 조사 경화 면에서 유사하며 스웰링 저항성 면에서 유리한 Ti 첨가형 신규 개발 강재에서 핵융합로 블랭킷용 구조재의 뛰어난 후보 강재가 될 수 있는 가능성을 제시하였다.
핵융합로용 구조 재료의 후보재인 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강 (RAFM steel: Reduced Activation Ferritic-Martensitic steel)이 국내에서 개발 중이다. 이 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강은 강도와 파괴인성을 동시에 증가시키기 위해 Ti 을 첨가한 것이 특징이다. 이 신규 개발 강재의 조사 전 기계적 물성은 관련 연구의 선도국인 유럽 연합, 일본 등에서 개발된 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강과 비교하여 우수한 것으로 나타났다. 그런데 핵융합로용 구조 재료의 경우 핵융합 과정에서 발생하는 14.1 MeV의 고에너지 중성자에 노출되는 가혹한 환경에서 사용된다. 이에 대해 본 연구에서는 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 조사 후 기계적 물성 및 스웰링 특성 평가방법을 개발하였고, 국내 재료연구소의 신규 개발 강재인 Ti 첨가형 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 조사 후 물성 평가에 적용하여 그 결과를 선도 개발 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강재인 Eurofer97과 비교하고자 한다. 우선 핵융합로에서 발생하는 중성자에 의한 구조재의 기계적 물성 변화를 모사하기 위하여 가속기를 이용한 이온 조사를 수행하였다. Ti 첨가형 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강과 Eurofer97에 대하여 같은 이온조사 조건을 적용해 비교 강재에 대해 신규 강재의 물성 변화를 비교하였다. Fe3+ 이온이 조사된 영역과 조사되지 않은 영역에 각각 집속이온빔 (FIB)를 이용하여 마이크로 원기둥을 제작하고 나노인덴터를 이용한 마이크로 원기둥 압축 시험으로 측정된 항복 응력을 통해 조사 경화 정도를 비교하고 평가하였으며 Fe3+ 이온에 의해 형성된 조사 결함을 투과전자현미경 (TEM)을 통해 확인하였다. 그리고 스웰링 특성 평가를 위해 He 이온의 가림막 역학을 해주는 TEM Grid가 부착된 시료들에 He 이온을 주입한 후 He 이온의 조사량 및 Ti 첨가형 저방사화 페라이트-마르텐사이트 강의 Tempering 온도에 따른 스웰링 현상 발생 정도를 평가하였다. 스웰링 현상 발생 정도는 Optical profilometer를 활용하여 각각의 시료에 대한 He 이온이 조사된 영역과 조사되지 않은 영역에서의 표면 조도 차이를 측정하여 평가하였다. 실험 결과 비조사재와 조사재간의 항복 응력 차이를 보면 신규 개발 강재 (E97+Ti) 강의 경우 634 MPa로부터 911 MPa로 43.7 % 증가하였고 기존 강재 Eurofer97의 경우 557 MPa로부터 784 MPa로 40.8 %의 증가량을 보여 조사 경화 정도에서 큰 차이를 보이지 않았다. 스웰링 평가에서는 He 이온의 최대 농도가 11,000 appm일 경우에는 평균적으로 Eurofer97에서 20.1 nm, (E97+Ti)-T650에서 14.9 nm, (E97+Ti)-T700에서 18.4 nm, (E97+Ti)-T750에서 21.4 nm의 조도 단차를 가졌으며 22,000 appm일 경우에는 Eurofer97에서 20.1 nm, (E97+Ti)-T650에서 21.6 nm, (E97+Ti)-T700에서 24.5 nm, (E97+Ti)-T750에서 20.6 nm의 조도 단차를 보였다. 다. He 이온의 최대 농도가 일정량보다 높아지게 되면 스웰링 저항성 면에서 기존 강재보다 신규 개발 강재가 열화를 보이는 것으로 나타나지만 실사용 환경에서는 핵융합로를 20년간 휴동 없이 운용하는 경우 대략 9,000 appm, 즉 본 실험의 11,000 appm He 농도보다 낮아 결과적으로 신규 개발 강재의 스웰링 저항성이 더 뛰어남을 알 수 있다. 결과적으로 기존 Eurofer97과 비교하였을 때 조사 경화 면에서 유사하며 스웰링 저항성 면에서 유리한 Ti 첨가형 신규 개발 강재에서 핵융합로 블랭킷용 구조재의 뛰어난 후보 강재가 될 수 있는 가능성을 제시하였다.
The RAFM steel (Reduced Activation Ferritic-Martensitic steel) is currently being developed in Republic of Korea. Adding Ti to increase both strength and fracture toughness simultaneously is the main characteristic of this RAFM steel. Through this process, the mechanical properties of Ti-added RAFM ...
The RAFM steel (Reduced Activation Ferritic-Martensitic steel) is currently being developed in Republic of Korea. Adding Ti to increase both strength and fracture toughness simultaneously is the main characteristic of this RAFM steel. Through this process, the mechanical properties of Ti-added RAFM steel is better than others such as those developed by the EU, Japan and etc. But structural materials for the nuclear fusion reactor are used in harsh environments for instance exposed to high-energy neutron flux and concentrations at temperatures of at least 300℃ higher. Hence, We developed some methods for evaluation of mechanical properties and swelling effect on ion-irradiated RAFM steels: the Eurofer97 and the Ti-added RAFM steel in this study. Here, ion irradiation using an ion accelerator was performed to simulate the damage on the structural material of fusion reactor caused by the neutron radiation. And all these processes compared to mechanical properties on the Ti-added RAFM steel to the Eurofer97 steel. First, Micro-pillars were fabricated by using FIB on the unirradiated / irradiated area, and then irradiation hardening was evaluated by comparing the yield stress from the micro-pillar compression test using nanoindenter. Second, we compared the ratio of height difference for evaluation of swelling resistance on He ion irradiated the Ti-added RAFM steel and the Eurofer97 steel.
The RAFM steel (Reduced Activation Ferritic-Martensitic steel) is currently being developed in Republic of Korea. Adding Ti to increase both strength and fracture toughness simultaneously is the main characteristic of this RAFM steel. Through this process, the mechanical properties of Ti-added RAFM steel is better than others such as those developed by the EU, Japan and etc. But structural materials for the nuclear fusion reactor are used in harsh environments for instance exposed to high-energy neutron flux and concentrations at temperatures of at least 300℃ higher. Hence, We developed some methods for evaluation of mechanical properties and swelling effect on ion-irradiated RAFM steels: the Eurofer97 and the Ti-added RAFM steel in this study. Here, ion irradiation using an ion accelerator was performed to simulate the damage on the structural material of fusion reactor caused by the neutron radiation. And all these processes compared to mechanical properties on the Ti-added RAFM steel to the Eurofer97 steel. First, Micro-pillars were fabricated by using FIB on the unirradiated / irradiated area, and then irradiation hardening was evaluated by comparing the yield stress from the micro-pillar compression test using nanoindenter. Second, we compared the ratio of height difference for evaluation of swelling resistance on He ion irradiated the Ti-added RAFM steel and the Eurofer97 steel.
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