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Mar 10, 2024

조사된 강철 내부를 살펴보면

재료 과학의 기본 원리 중 하나는 재료의 내부 미세 구조가 재료 성능을 제어한다는 것입니다. 그렇기 때문에 늘 뜨거운 관심을 받아왔습니다.

재료 과학의 기본 원리 중 하나는 재료의 내부 미세 구조가 재료 성능을 제어한다는 것입니다. 이 때문에 재료의 성능을 이해하고 예측하는 수단으로 재료의 내부 구조를 연구하고 분류하는 데 항상 큰 관심이 있어 왔습니다. 이 작업의 대부분은 재료 구조의 점점 더 작은 영역을 원자 수준까지 조사하기 위한 미세 구조 분석 기술의 지속적이고 빠르게 발전하는 개발의 도움을 받았습니다.

원자 수준의 정보는 재료의 내부 변화를 이해하는 데 중요합니다. 그러나 가장 큰 과제는 이러한 이해를 실제 규모의 재료 구조 성능과 연결하는 것입니다. 우리는 원자 수준에서 실제 적용 조건에서 실제 구조가 어떻게 작동하는지 이해하기 위한 정보를 구축하는 데 관심이 있었습니다. 원자 수준의 재료 특성화를 통해 구조의 내구성을 이해할 수 있습니까?

조사된 강철 구조물은 오랫동안 원자력 시스템을 구축하는 데 사용되어 왔으며 차세대 첨단 원자로 시스템에 적용하는 데 우선순위가 높습니다. 첨단 원자력 시스템의 경우 Fe-9~12Cr 조성의 강철이 가장 큰 관심과 가장 큰 수준의 실험 및 모델링 활동을 끌어왔습니다. 이러한 유형의 조사된 강철은 첨단 원자력 시스템에 사용되었으며 조사로 인한 내부 손상에 강하기 때문에 미래 시스템에 대한 관심이 높습니다. 원자로 내부의 강렬한 조사장에 노출되면 재료의 기계적 특성이 크게 변할 수 있으며 재료의 물리적 치수도 변경될 수 있습니다. 이러한 변화에 저항할 수 있는 재료를 찾는 것은 원자로 수명주기와 안전을 위해 필수적입니다.

여기에서는 작동 중인 원자로 내부의 높은 온도에서 강렬한 조사장에 노출되었을 때 조사된 강철 내부에서 어떤 일이 일어나는지 보여주기 위해 Fe-9~12 Cr 모델과 상업용 강철 합금에 대한 실험적 발견을 설명합니다. 우리의 재료는 Idaho National Laboratory(INL)의 Advanced Test Reactor(ATR)에서 조사되었습니다. 원자당 최대 10개의 변위(dpa)까지 중성자 조사를 받았습니다. 방사선 손상에 대한 성능 지수(dpa)는 물질의 각 원자가 정상 위치에서 물질의 다른 위치로 넘어지는 평균 횟수를 나타냅니다. 10dpa는 조사 노출 동안 재료의 모든 원자가 시작 위치에서 다른 위치로 10번 부딪히거나 변위되었음을 나타냅니다. 따라서 평균적으로 물질의 모든 원자는 시작했던 위치와 동일하지 않습니다. 이들 중 다수는 물질의 결정 격자에서 정상 위치로 돌아가지만 일부는 이동하여 다른 '변위된' 원자와 결합하여 시작 구조와 다른 '결함' 또는 클러스터를 형성합니다.

조사된 강철에서 결함 클러스터의 진화를 관찰하는 것이 가능합니다. 투과전자현미경으로 고에너지 이온빔을 쏘면 원자로에서 발견되는 손상이 자극됩니다. 이 기술은 조사 손상으로 인해 작은 결함 클러스터가 형성되고 성장하는 방식을 명확하게 보여줍니다. 그림 1에 표시된 것처럼 방사선 노출로 형성되는 작은 '검은색' 점은 작은 클러스터를 형성하기 위해 함께 이동하고 '변위'된 작은 원자 클러스터입니다. 이러한 클러스터는 재료를 더 강하게 만드는 강화제 역할을 하지만 재료를 더 취약하게 만드는 경향도 있습니다.

그림 1에 표시된 조사 손상 구조는 작고 얇은 재료 조각을 조사할 때 발생할 수 있는 현상을 나타냅니다. 실제 원자로 조건의 경우 작동 중인 원자로에서 조사된 물질을 살펴보는 것이 좋습니다. 우리는 INL의 ATR 내부에서 조사된 조사강과 같은 이러한 유형의 재료를 조사해 왔습니다. ATR은 대량의 실험 물질을 현재 및 첨단 원자력 에너지 시스템에 대한 관심 수준의 손상에 조사할 수 있는 시설입니다.