바카라 커뮤니티 고강도 양성자 빔에 노출된 금속에 얼마나 많은 손상이 가해지는가
－고에너지 양성자빔을 이용한 가속기 구동 시스템의 안전성에 기여－

[요약]

바카라 커뮤니티 J-PARC 센터 수석 연구원 아케고 신이치로(사장: 고다마 도시오, 이하 "JAEA")와 원자력 공학 연구 센터 수석 연구원 이와모토 요스케가 이끄는 그룹이 고준위 방사성 폐기물의 양과 독성을 효율적으로 줄이기 위해 노력하고 있습니다가속기 구동 시스템(ADS: 참고 1)의 양성자 빔으로 인한 물질 손상

J-PARC 센터는 바카라 커뮤니티 원자력 공학 연구 센터와 함께 원자력 발전에 사용되는 연료의 재처리로 인해 발생하는 고준위 방사성 폐기물의 양과 독성을 효율적으로 줄이는 가속기 구동 시스템(ADS) 구현을 위한 연구 개발을 진행하고 있습니다 ADS는 강철 "빔 창"을 사용하여 수십억 전자 볼트(기가전자 볼트, GeV)의 고에너지 양성자 빔을 도입하고 구리는 가속기의 전자석에 사용됩니다 빔 창과 같은 물질에 양성자 빔이 입사되면,바카라 커뮤니티 방출(참고 2)발생하고 재료의 강도가 변합니다바카라 커뮤니티당 방출 수(참고 3)양성자빔의 세기(양성자속)에 바카라 커뮤니티의 반발력(펌프아웃 단면적)을 곱하여 계산되나 반발 단면적에 대한 실험 데이터는 거의 없다 특히 ADS에 중요한 수십억 전자볼트(GeV) 에너지 범위의 철에 대한 실험 데이터가 없어 계산에 사용된 모델의 타당성을 평가할 수 없었다

이 연구에서는 J-PARC의 가속기를 사용하여 ADS 장비의 재료인 철과 구리의 방출 단면적을 측정했습니다 이 측정은 금속 격자에 손상이 발생하면 전자의 흐름이 방해되고 전기 저항이 증가하는 특성을 보여줍니다(Matthisen의 규칙 참고 4), 그러나 한번 발생한 손상이 열 이동으로 인해 원래 상태로 돌아가는 것을 방지하기 위해 약 4K(-269°C)로 냉각된 시료에 양성자 빔을 조사한 결과 전기 저항의 증가가 관찰되었습니다 이 실험을 통해 우리는 세계 최초로 GeV 에너지 범위의 철에 대한 방출 단면적을 얻었습니다 일본바카라 커뮤니티력기구에서도 개발함PHITS 코드(참고 5)최신분자 역학 방법(주 6)을 기반으로 한 재료 손상 모델을 통합하여 분출 단면적을 계산하고 그 결과를 측정값과 비교한 결과 두 가지가 잘 일치하는 것으로 나타났습니다

위에서 설명한 바와 같이, 본 연구에서 수행한 방출 단면적 데이터 측정 및 물질 손상 모델의 정확도 확인을 통해 ADS뿐만 아니라 J-PARC와 같은 고에너지 가속기 시설에 사용되는 광범위한 물질에 대한 손상 평가가 가능해지고 추가적인 안전성 향상으로 이어질 수 있기를 바랍니다

이 연구는 바카라 커뮤니티과 고에너지 연구소가 실시한 문부과학성의 원자력 시스템 연구 개발 프로젝트 "J-PARC를 이용한 핵 변환 시스템(ADS) 구조 재료의 방출 손상 단면적 측정"의 결과입니다 이 결과는 Journal of Nuclear Science and Technology 6월 3일자 온라인판에 게재됐다

 

[연구 배경]

ADS는 고에너지(수십억 전자 볼트)와 고강도(빔 출력 30메가와트(MW)) 양성자 빔을 사용하여 납과 비스무스로 만들어진 액체 금속 표적에 입사하고, 바카라 커뮤니티핵이 중성자, 양성자와 같은 많은 수의 핵자를 방출하는 핵 파쇄 반응을 통해 생성된 중성자를 사용합니다 J-PARC 센터에서는 타겟 기술 개발을 활발히 진행하고 있으며, ADS의 중요한 이슈는 액체 금속 타겟의 빔 입사부 역할을 하는 고강도 양성자빔을 견딜 수 있는 빔 윈도우 개발이다

빔 창과 같은 재료에 대한 방사선 손상 기준은 다음과 같습니다바카라 커뮤니티당 방출 수(dpa; 참고 3)널리 사용됩니다 이 dpa는 바카라 커뮤니티의 반발력을 나타내는 반발 단면적을 기준으로 계산됩니다 그러나 토출 단면에 대한 실험 데이터가 거의 없어 타당성을 평가할 수 없다는 문제가 있었다 특히 ADS 빔창은 페라이트계 내열강, 스테인리스강 등의 강철로 만들어졌지만, 지금까지 철에 대한 실험 데이터는 약 1천만 전자볼트(10메가전자볼트, 10MeV) 정도의 에너지 범위에서만 얻어졌다 따라서 ADS에서 사용하는 양성자 에너지 범위에 대한 실험 데이터가 없으며, 계산에 의한 손상 평가의 타당성과 신뢰성을 검증할 수 없었다 가속기 전자석에 사용되는 구리에 대해서는 수억 전자 볼트(수 100 메가 전자 볼트, 수 100 MeV)의 양성자에 대한 실험 데이터가 있습니다 그러나 에너지에 대한 토출단면적을 체계적으로 계산한 여러 모델이 있었음에도 불구하고 계산모델 간에는 약 3배 정도의 큰 차이가 있었다 따라서 실험 데이터 확보가 시급한 문제였습니다

[연구 내용/결과]

이 연구에서는,J-PARC의 3 GeV 싱크로트론(RCS)(참고 7)에 의해 가속된 양성자 빔을 사용하여 철과 구리에서 양성자의 방출 단면적을 측정했습니다

양성자 빔이 철이나 구리에 적용되면 바카라 커뮤니티가 방출되고 금속 격자에 손상이 발생합니다 이 상태의 금속은 전자의 흐름을 억제하고 전기 저항을 증가시키는 특성을 가지고 있습니다 또한, 다른 연구에서는 단일 바카라 커뮤니티가 방출될 때 발생하는 전기 저항의 변화가 밝혀졌습니다 그러므로, 방출된 바카라 커뮤니티의 수는 양성자빔의 입사에 따른 전기저항의 변화로부터 결정될 수 있다 또한, 바카라 커뮤니티수를 시료에 입사한 프로톤 강도(프로톤 플럭스 강도)로 나누면 방출 단면적을 구할 수 있습니다 본 연구에서는 철과 구리 시료에 04~3 GeV의 에너지를 갖는 양성자빔을 입사시키고, 시료의 전기저항 변화로부터 방출단면을 도출하였다 그러나 시료의 온도가 극도로 낮지 않으면 열적 이동으로 인해 손상이 완화되므로 실제 양성자 조사와 관련된 방출 단면적과 관련된 전기 저항을 정확하게 측정하는 것이 불가능합니다 따라서 본 연구에서는 손상 완화를 억제하기 위해 샘플을 약 4K의 매우 낮은 온도로 냉각했습니다

극저온 상태의 금속은 전기 저항의 온도 의존성이 거의 없으므로 바카라 커뮤니티 방출로 인한 전기 저항의 미세한 변화를 측정하는 것이 가능합니다 지금까지 액체헬륨을 이용한 냉장고는 극저온까지 냉각하는 데 사용됐지만, 다량의 액체헬륨을 사용하는 대형 장비이고 냉각방식도 복잡하다 이 때문에 제한된 크기의 진공용기 내에서 시료에 양성자빔을 조사하는 가속기 시설에서는 사용하기 어렵고, 현재까지 가속기 시설 내 배출단면에 대한 실험적 연구는 거의 없었다

그러나 최근 냉동 기술의 발전으로 소형 헬륨 냉각기를 사용하지 않고도 액체 헬륨을 극도로 낮은 온도까지 냉각할 수 있게 되었고, 가속기 시설에서 실험을 수행할 수 있게 되었습니다 본 연구에서는 샘플을 소형 쿨러의 절연체(질화알루미늄) 위에 고정하고 전기 저항을 측정했습니다 여기서, 시료로는 길이 50mm, 직경 025mm의 와이어를 사용하였고, 와이어를 녹는점까지 가열하여 결함이 없는지 확인한 후 실험에 사용하였다 또한, 양성자빔이 시료 와이어 이외의 것에 부딪혀 불필요한 핵반응이 일어나는 것을 방지하기 위해 시료의 끝부분만 절연체로 고정했습니다 또한, 외부로부터의 열침입을 철저히 차단함으로써 시료 내에서만 핵반응이 일어나는 동안 시료를 4K 정도까지 냉각시키는 것이 가능해졌습니다 실험에서는 직경 025mm의 시료 중심에 양성자빔을 정렬해야 했는데, 이는 J-PARC에서 축적한 빔 제어 및 측정 기술을 활용해 가능했다 위의 방법을 이용하여 ADS에 사용되는 양성자빔의 에너지 범위에서 철과 구리의 방출 단면적을 측정할 수 있었는데, 이는 세계 최초의 철에 대한 데이터입니다

구해진 토출 단면적을 계산 모델에 의해 계산된 단면적과 비교했습니다 최근 컴퓨터 과학의 발전으로 인해 방사선으로 인한 재료의 손상 평가가 비약적으로 발전했으며, 바카라 커뮤니티에서 개발 중인 PHITS 코드를 사용하여 연구가 수행되었습니다 본 연구에서는 원자 방출 모델을 PHITS 코드에 통합하고 방출 단면적을 계산했습니다 이는 원자로 연료 피복재 및 구조 재료는 물론 핵융합로 재료의 손상을 평가하는 데 널리 사용되었습니다NRT 모델(참고 8)에 의해 계산된 값인 것으로 알려졌습니다 10 MeV 미만의 양성자에 대한 실험값과 비교적 좋은 일치를 보였습니다 그러나 이번 실험 데이터의 에너지 범위에서는 실험값의 2~3배에 달하는 것으로 나타나 기존 dpa 평가에 문제가 있음을 명백히 알 수 있다

최신 분자 역학 방법을 기반으로 한 평가에 따르면 방출된 바카라 커뮤니티는 저온에서도 매우 짧은 시간(약 10피코초, 1/1000억분의 1초) 내에 특정 속도로 원래 상태로 돌아갑니다열적 재조합 수정: 호 참고 9)모델의 유용성이 제안되었습니다 따라서 우리는 호 모델을 PHITS 코드에 통합하고 분출 단면적을 계산했습니다 그 결과, 아크 모델의 계산된 값이 실험값과 잘 일치하여 더 높은 정확도로 재료 손상을 평가할 수 있게 되었습니다

[향후 개발/파급효과]

이 연구 결과는 ADS에 사용되는 양성자 빔의 에너지 범위에서 방출로 인한 손상을 아크 모델을 적용하여 높은 정확도로 평가할 수 있음을 보여줍니다 이를 통해 ADS 빔 창뿐만 아니라 J-PARC의 파쇄 중성자 소스의 표적이 되는 강철 수은 용기 등 고에너지 가속기 시설에 사용되는 재료의 손상도를 정확하게 평가할 수 있게 되었습니다

향후 연구에서는,J-PARC의 주링 싱크로트론(MR)(주 7)에서는 미국 페르미국립연구소(FNAL)와 유럽바카라 커뮤니티력연구기구(CERN)의 가속기를 이용해 고에너지 영역의 단면적을 측정하고 고에너지 영역의 피해를 평가할 계획이다

도서 정보

저널명: Journal of Nuclear Science and Technology

제목: 04 – 3 GeV 범위의 운동 에너지를 갖는 양성자의 구리 및 철 변위 단면 측정

저자: H 마츠다¹, S 메이고¹, Y 이와모토¹, M 요시다², S 하세가와¹, F 마에카와¹, H 이와모토¹, T 나카모토², T 이시다²및 S 마키무라²

소속: 1 바카라 커뮤니티, 2 KEK

DOI 번호: 101080/0022313120201771453

[용어]

(주 1) 가속기 구동 시스템(ADS)

바카라 커뮤니티력 발전소에서 사용된 핵연료에는 새로운 연료로 사용될 수 있는 미연소 우라늄과 플루토늄뿐만 아니라 핵분열 반응으로 생성된 방사성 물질도 포함됩니다 이러한 방사성 물질 중에는 인체에 ​​상대적으로 유해하고 환경에 상대적으로 큰 영향을 미치는 미량 악티나이드가 있습니다 이들 물질을 특성에 따라 선택적으로 분리, 처리, 폐기할 수 있다면 사용후핵연료가 환경에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있다 유해한 원소를 분리하고 핵반응을 통해 다른 원소로 변환시키는 기술을 '분리전환기술'이라고 합니다 이 기술의 일환으로 가속기와 바카라 커뮤니티로를 결합해 납이나 비스무트 등의 표적에 가속기에서 나오는 고에너지 양성자(수십억 전자볼트의 운동에너지)를 조사하고, 생성된 중성자에 의한 핵분열 반응을 통해 핵변환 연쇄반응을 일으키는 시스템을 '가속기 구동 시스템'이라고 한다 가속기 구동 시스템은 전 세계적으로 연구 및 개발되고 있는 차세대 바카라 커뮤니티로입니다

(주 2) 바카라 커뮤니티 방출

물질에 중성자나 양성자와 같은 고에너지 입자가 조사될 때, 결정 격자의 바카라 커뮤니티가 입사 입자와의 충돌로 인해 규칙적인 격자점에서 방출되는 현상을 노크온이라고 하며, 방출된 바카라 커뮤니티를 노크온 바카라 커뮤니티라고 합니다 바카라 커뮤니티 방출은 방사선으로 인한 재료 손상의 주요 원인 중 하나입니다

(주 3) 바카라 커뮤니티당 방출 수

각 바카라 커뮤니티가 격자점 위치에서 방출되는 평균 횟수를 방출 손상량이라고 하며 단위는 바카라 커뮤니티당 변위(dpa)입니다 dpa는 토출 단면적에 입자 플럭스(단위 면적당 입자 수)를 곱하여 계산됩니다

(주 4) Matthiessen 규칙

1862년 A Matthiessen이 발견한 법칙 금속의 전기 저항은 격자 결함과 격자 진동에 의해 전자가 산란되면서 발생하므로 전자의 흐름을 산란시키는 여러 메커니즘이 있는 경우 이는 개별 산란 메커니즘의 전기 저항의 합입니다

(참고 5) PHITS 코드

입자 및 중이온 수송 코드 시스템(PHITS) 바카라 커뮤니티의 전신인 일본 원자력 연구소에서 개발하고 중이온 계산을 수행하기 위해 바카라 커뮤니티에서 확장한 NMTC/JAERI 코드 및 NMTC/JAM 코드를 기반으로 하는 입자 수송 계산 코드입니다 난수를 이용한 몬테카를로법을 이용하여 입자의 생성 용이성, 날아가는 방향, 에너지를 파악하고 수송계산을 수행합니다 또한 J-PARC 시설의 파쇄 중성자 소스의 중성자 특성 계산 및 방사선 방호에도 사용됩니다

(주 6) 분자 역학

분자 역학(MD)은 바카라 커뮤니티의 물리적 움직임을 컴퓨터로 시뮬레이션하는 방법으로, 시스템의 정적 및 동적 안정 구조와 동적 과정(동역학)을 분석하는 데 사용됩니다 MD 방법은 원래 1950년대 후반 이론물리학 분야에서 고안되었으며, 현재는 재료과학, 화학물리학, 생체분자 모델링 등에서 주로 사용되고 있습니다

재료과학 계산의 경우 바카라 커뮤니티는 일정 시간 동안 서로 상호작용하도록 허용되며 이에 따라 바카라 커뮤니티의 동적 진화가 결정됩니다 일반적인 MD 방법에서는 상호작용하는 입자 시스템에 대한 고전 역학의 뉴턴 운동 방정식을 수치적으로 풀어 시스템 내 바카라 커뮤니티의 운동을 유도합니다 시스템 내 입자 사이의 힘과 위치 에너지는 바카라 커뮤니티간 전위(분자역학 힘장)에 의해 정의됩니다

(주 7) J-PARC 액셀러레이터 그룹

J-PARC는 선형 가속기(400MeV), 급속 사이클링(25Hz) 3GeV 싱크로트론(RCS), 메인 링 싱크트론(MR, 30GeV) 가속기 그룹으로 구성됩니다

J-PARC 센터는 선형선으로 가속된 양성자 빔(400MeV)을 납/비스무트 타겟에 주입하여 ADS에 사용되는 타겟 구조 재료의 손상 및 부식에 대한 연구 개발을 수행할 계획입니다

세부정보:http://wwwj-parcjp/c/facilities/accelerators/
http://wwwj-parcjp/c/facilities/accelerator-driven-transmutation-experimental/

(참고 8) NRT 모델

이것은 방출 손상을 정량적으로 평가하는 데 사용되는 모델이며 제작자(Norgett, Robinson 및 Torrens)의 이니셜을 따서 NRT 모델이라고 합니다 NRT 모델은 1975년 논문(Nuclear Engineering and Design)에 발표되었으며, 핵융합 반응을 이용하는 핵융합로의 바카라 커뮤니티로 연료 피복재, 구조재, 재료의 손상을 평가하는 데 널리 사용되어 왔습니다 또한 고강도 가속기 시설의 표적 및 구조 재료의 손상을 평가하는데도 사용되었습니다

(주 9) 비열 재조합 보정 모델(Athermal Recombination Correction, arc)

MD 방법을 사용하여 사출 손상을 상세하게 평가하는 사출 평가 모델입니다 이 내용은 헬싱키 대학의 Kai Nordlund와 바카라 커뮤니티 시스템 및 계산 과학 센터 시뮬레이션 기술 개발실의 Tomoaki Suzudo가 공동 집필한 2019년 논문(Nature Communication)에 게재되었습니다 NRT 모델에 따르면 물질에서는 방출이 일어나더라도 낮은 온도에서도 공석과 녹온 원자가 순간적으로(약 10피코초, 1000억분의 1초) 결합해 원래의 건강한 상태로 돌아가는 것을 정량적으로 보여주었다 본 연구 결과에서는 호 모델의 유효성을 실험적으로 입증하였다