초록 ▼

1. 연구개발목표
${\bullet}$ 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발
${\bullet}$ 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보
${\bullet}$ 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축
2. 연구결과
${\bullet}$ 분자동력학/KMC/전위동력학을 이용한 조사손상기구 모사
${\bullet}$ Fe-9wt%Cr 모델합금의 이온조사 후 조사손상평가
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1. 연구개발목표
${\bullet}$ 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발
${\bullet}$ 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보
${\bullet}$ 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축
2. 연구결과
${\bullet}$ 분자동력학/KMC/전위동력학을 이용한 조사손상기구 모사
${\bullet}$ Fe-9wt%Cr 모델합금의 이온조사 후 조사손상평가
${\bullet}$ 간이조사재 시험/취급시설 구축
${\bullet}$ 균열과 조사결함과의 작용에 의한 조사경화, 취화기구 제시/열처리에 의한 조사결함별 회복기구 측정 기술 개발
${\bullet}$ 자기적방법을 사용한 조사손상평가/양전자 소멸수명 측정에 의한 전위 및 void측정
${\bullet}$ 조사량에 따른 interstitial loop 결함 클러스터 밀도 증가 측정/전위 loop의 크기별 분석기술 확보
2. 기대효과 및 활용 방안
${\bullet}$ 조사재의 건전성 평가 기술 확보를 통하여 원전재료기술 발전에 기여
${\bullet}$ 기존 원전 재료의 수명 연장 및 신원전의 재료선정에 필수적인 조사손상평가를 위한 기반기술의 축적에 성공하여, 미래형 원전 시스템용 재료 선정을 위한 조사손상 평가 가능
${\bullet}$ 비파괴 분석기술을 통하여 각종 원자력 재료의 조사결함분석 지원
${\bullet}$ 원전 가동중 발생하는 조사재의 미세구조 평가 및 원인 규명

Abstract ▼

The objectives of the project were development of evaluation technology for radiation damage to materials for novel nuclear systems, understanding of irradiation embrittlement of structural materials in nuclear reactors, and establishment of analysis methods for investigating radiation defects.
M

The objectives of the project were development of evaluation technology for radiation damage to materials for novel nuclear systems, understanding of irradiation embrittlement of structural materials in nuclear reactors, and establishment of analysis methods for investigating radiation defects.
Major targets were 1)Quantification of primary damage using MD simulations 2)Ab initio and KMC simulations for defect distributions and properties, 3)Dislocation Dynamics for predicting mechanical properties of irradiated materials, 4)The assessment of an irradiation damage of ion irradiated Fe-Cr alloys using TEM and nano-indentor, 5)Construction of Semi-Hot Laboratory, 6)The measurement technology recovery of radiation embrittlement due to thermal annealing, 7)Radiation damage mechanism, 8)Achievement of TEM analysis technologies for irradiated samples, 9)An analysis of irradiation defects using micromagnetic methods, 10)Positron annihilation spectroscopy for microstructural evaluation, 11)Measurement of defect cluster density increase by irradiation, and 12)Analytical technologies of dislocation loops of various sizes. Especially, basic technologies were established for the inspection the radiation damage mechanism in the nuclear materials, through the irradiation experiments and computer simulations of the evaluation and analysis for radiation defects.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요...60
• 제 1 절 연구개발의 목적...60
• 제 2 절 연구개발의 필요성...60
• 제 3 절 연구개발의 범위...61
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...63
• 제 1 절 국내 기술개발 현황...63
• 1. 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발...63
• 2. 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보...64
• 3. 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축...65
• 제 2 절 국외 기술개발 현황...66
• 1. 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발...66
• 2. 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보...68
• 3. 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축...69
• 제 3 절 확보된 기술의 수준...70
• 1. 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발...70
• 2. 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보...71
• 3. 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축...72
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...74
• 제 1 절 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발...74
• 1. 분자동력학 이용 초기손상 정량화...74
• 가. 중성자 조사 정량화...77
• (1) 중성자 조사 특성...77
• (2) 조사 손상량 정의...78
• (3) 조사손상 계산 - SPECTER 코드...80
• 나. 초기손상 전산모사 및 정량화...83
• (1) 초기손상 모사용 전산코드...83
• (2) 원자 포텐셜 (Interatomic potential)...85
• (3) 초기손상 정량화...86
• 다. 미세구조 예측 전산모사...92
• (1) Metropolis 몬테카를로 (MMC) 방법...92
• (2) 이원계 합금 (Fe-Cu) 포텐셜...93
• (3) 평형상태의 미세구조 예측...94
• (4) 원자분포의 정량화 (Radial Distribution Function)...96
• 라. 조사경화량 예측 모델...98
• (1) 클러스터 dynamics 모델...98
• (2) 항복강도 변화 계산...101
• 마. 결론...104
• 2. 제일원리(Ab initio)와 KMC 방법에 의한 결함특성 및 분포계산...135
• 가. 제일원리(Ab initio) 총에너지 계산...135
• (1) 밀도 범함수 이론 (Density Functional Theory)에 의한 제일원리 계산...135
• (2) VASP (Vienna Ab Initio Simulation Package) 코드...137
• (3) VASP 입력 파일...141
• (4) VASP 출력 파일...142
• (5) 총에너지 계산...142
• (6) 알고리즘...144
• (7) 온라인 VASP 매뉴얼...145
• (8) Fe 의 제일원리 총에너지 계산...148
• 나. KMC 전산모사...163
• (1) 이론...163
• (2) 입력 데이터...164
• (3) BIGMAC 코드...166
• (4) Fe의 kMC 계산결과...168
• (5) Fe-Cr의 kMC 계산결과...171
• 3. 조사재의 기계적 특성 예측을 위한 전위동역학 코드 개발...176
• 가. Fe 및 Fe-Cr계에서 전위 이동도 평가...176
• 나. 개별 전위와 조사결함 사이의 상호작용...187
• (1) ${\alpha}-Fe$에서의 칼날전위와 조사결함 사이의 상호작용...187
• (2) SIA 전위루프사이의 상호작용...193
• (3) ${\alpha}-Fe$에서 나선전위와 Cu 석출물의 상호작용...204
• (4) 칼날/나선 전위와 프랭크 루프의 상호작용...211
• 다. 전위의 집합위한 전위 동역학 코드 개발...220
• (2) 조사유기 결함의 수치적 표현 방법...229
• (3) 조사재의 항복응력 증가 예측...231
• 4. Fe-Cr 모델 합금의 이온조사 후 조사 손상 평가...238
• 가. 개요...238
• (1) Fusion reactor의 구조 재료...238
• (2) Fe-Cr 합금의 조사 경화...238
• 나. 모델 합금 제조 및 상온 이온 조사 실험...240
• (1) 모델 합금 제조...240
• (2) 상온 이온 조사 실험...240
• 다. 이온 조사 깊이 예측 및 관찰...242
• (1) TRIM code를 이용한 깊이 예측...242
• (2) TEM 직접 관찰...243
• 라. 이온 조사재의 기계적 성질 측정 방법- Nano indentation...245
• (1) Nano indentation...245
• 마. 이온 조사재의 TEM 시료 제작 방법 및 조사 결함 분석 방법...247
• (1) TEM 시편 제작 방법...247
• (2) 조사결함 관찰 방법 - Weak beam dark field image[15-16]...248
• (3) 조사결함 분석 방법...248
• 바. Fe-Cr 모델합금의 이온 조사재 분석을 통한 조사 손상 평가...252
• (1) 이온조사재 미소 경도 평가...252
• (2) 이온조사재 TEM 분석 결과...252
• 사. 나노압입시험 모델링을 통한 이온 조사 손상층의 경도 및 항복강도 예측...257
• 제 2 절 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보...285
• 1. 간이조사재시험시설(Semi-hot laboratory) 구축...285
• 가. 조사재 취급기술개발...285
• (1) 시설변경 허가 취득을 위한 방사선안전보고서 작성...285
• (2) 방사성동위원소 사용변경허가에 대한 KINS의 보완요청내용 및 조치사항...297
• (3) 방사성동위 원소 사용시설 시설검사 합격...300
• (4) 중저준위 조사재 시험시설내 시험장비 및 설비구축...300
• (5) 중저준위 조사재 시험실 기능별 셀 구축...310
• (6) 중저준위 조사재 시험실 배기시스템 유속측정...310
• 2. 열처리에 의한 조사결함별 회복 기구 측정기술 개발...315
• 가. 개요...315
• 나. 본론...317
• (1) Magnetic Barkhausen Noise(MBN)...317
• (2) SANS를 이용한 조사결함 미세구조 연구...321
• 3. 조사 손상 기구...339
• 가. 조사손상기구 규명의 필요성...339
• (1) 원자로 압력용기 감시시험...340
• (2) 압력용기 감시시험에 의한 조사손상 평가의 의미...342
• (3) 원자로 압력용기 조사손상기구 연구의 방향...352
• 나. 조사경화기구 및 취화기구...358
• (1) Interstitial loop의 1-dimensional motion...358
• (2) 조사결함의 unfaulting...373
• (3) In-situ 인장으로 조사결함의 거동 관찰...380
• (4) 조사경화 및 취화 모델 제시...388
• 4. 조사재 전자현미경 분석기술 확보...392
• 가. 압력용기강과 같은 자성체 시료의 전자현미경분석기술 개발...392
• 나. Lorenz lens에 의한 철강재 시료의 조사결함 분석...392
• 다. 자성체 시료에서 전위 분석이 가능한 투과전자현미경...393
• 라. 철강재 및 조사재의 문제점을 극복하기 위한 시료제작법 개발...393
• (1) 작은 시료를 도금으로 처리하여 전자현미경 시료를 제작하는 기술 개발...394
• (2) 시료를 직경 1 mm 정도로 punching사용하는 방법...395
• 제 3 절 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축...399
• 1. 미소자기적 방법을 이용한 조사결함 분석...399
• 가. 개요...399
• 나. 본론...400
• (1) 이온에 의한 손상0
• (3) 복소 투자율 스펙트럼...402
• (4) 강자성 공명 측정...405
• 2. 양전자 소멸법에 의한 미세구조 측정...420
• 가. 연구배경...420
• 나. 양전자소멸 측정 장치의 이론적 배경...422
• (1) 양전자와 고체의 상호 작용...422
• 다. 양전자 소멸 측정 시스템의 구성...430
• (1) 양전자 선원...431
• (2) 양전자수명 측정 장치...435
• (3) 양전자 수명 스펙트럼 분석...442
• (4) 도플러 퍼짐 동시 측정 장치...447
• (5) 도플러 퍼짐 동시측정 데이터 처리...450
• 라. 실험 결과...452
• (1) 실험 장치의 구축과 개선...452
• (2) 냉간 압연된 철에 대한 양전자 소멸 측정...453
• (3) Fe-Cr...454
• 3. 조사량에 따른 밀도 증가 측정...494
• 가. 서론...494
• 나. 실험방법...494
• 다. 결과 및 검토...495
• (1) 조사량 증가에 따라 클러스터 밀도 증가...495
• (2) Fe-Cu와 Fe의 결함 생성량 비교...498
• 4. 전위 Loop의 크기별 분석기술...499
• 가. 서론...499
• 나. 조사결함의 종류...499
• (1) Cluster...499
• (2) Loop...500
• (3) Stacking fault tetrahedra(SFT)...500
• (4) Void...500
• (5) Bubbles...500
• 다. Loop의 크기별 분석 기술...501
• (1) 5 nm이하 전위 루프...501
• (2) 5 - 10 nm 크기의 전위 루프...502
• (3) 10 nm 이상 크기의 전위 루프...502
• 제 4 장 목표달성 및 관련분야에의 기여도...504
• 제 1 절 연구개발 목표 달성도...504
• 1. 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발...505
• 2. 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보...505
• 3. 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축...505
• 제 2 절 연구개발 성과...506
• 제 3 절 관련분야에의 기여도...506
• 1. 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발...506
• 2. 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보...507
• 3. 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축...507
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...508
• 제 1 절 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발...508
• 1. 분자동력학 이용 초기손상 정량화...508
• 2. 제일원리(ab initio)와 KMC 방법에 의한 결함특성 및 분포계산...508
• 3. 조사재의 기계적 특성 예측을 위한 전위동역학 코드 개발...508
• 4. Fe-Cr 모델 합금의 이온조사 후 조사 손상 평가...509
• 제 2 절 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보...509
• 1. 간이조사재시험시설 구축...509
• 2. 열처리에 의한 조사결함별 회복 기구 측정기술 개발...509
• 3. 조사 취화 기구...510
• 4. 조사재 전자현미경 분석 기술 확보...510
• 제 3 절 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축...510
• 1. 미소자기적 방법을 이용한 조사결함 분석...510
• 2. 양전자 소멸법에 의한 미세구조 측정...511
• 3. 조사량에 따른 밀도 증가 측정...511
• 4. 전위 Loop의 크기별 분석 기술...511
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...513
• 1. PREFECT project 자료 수집...513
• 2. Team Project...513
• 3. 중성자 조사효과 모사...513
• 4. 기타 정보...514
• 5. 주요 연구 기관...514
• 제 7 장 참고문헌...515
• 제 1 절 고성능 신원자력 재료의 조사손상 평가기술 개발...515
• 1. 분자동력학 이용 초기손상 정량화...515
• 2. 제일원리(ab initio)와 KMC 방법에 의한 결함특성 및 분포계산...516
• 3. 조사재의 기계적 특성 예측을 위한 전위동역학 코드 개발...517
• 4. Fe-Cr 모델 합금의 이온조사 후 조사 손상 평가...520
• 제 2 절 원전부품 소재의 조사취화 원인 규명기술 확보...521
• 1. 간이조사재시험시설 구축...521
• 2. 열처리에 의한 조사결함별 회복 기구 측정기술 개발...521
• 3. 조사 취화 기구...522
• 4. 조사재 전자현미경 분석 기술 확보...523
• 제 3 절 조사결함 종류별 극미세 분석 자료집 구축...524
• 1. 미소자기적 방법을 이용한 조사결함 분석...524
• 2. 양전자 소멸법에 의한 미세구조 측정...525