다양한 각도의 헬륨 방사선 조사가 텅스텐에 미치는 영향 연구

Abstract

상용화 될 핵융합로에서는 플라즈마 내에서 DT반응에 의해 14.1MeV의 중성자와 3.5MeV의 헬륨이 생성되며, 이를 대면할 재료로는 높은 열전도도, 용융점 및 스퍼터링 저항을 갖는 텅스텐이 거론되고 있다. 생성된 헬륨은 대부분 플라즈마 내에서 에너지를 잃고 대면 재료에 입사 되지만, 최근 플라즈마 내 리플 로스(Ripple loss) 현상에 의해 일부 3.5MeV의 헬륨 입자가 대면 재료에 비교적 큰 입사각으로 조사된다는 연구 결과가 있다. 또한, 14.1MeV의 중성자가 텅스텐과 반응하여 생성되는 평균 18MeV의 헬륨 입자 역시 여러 방향의 각도를 가질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 텅스텐에 4MeV 및 18MeV의 헬륨 방사선이 다양한 각도에서 조사되었을 때 나타나는 영향을 실험 및 컴퓨터 코드를 사용하여 분석하였다. 실험은 한국원자력의학원에서 보유중인 MC-50 가속기를 이용하여 4MeV 및 18MeV와 헬륨 이온을 10mm·10mm 크기의 연마한 텅스텐 시편에 표면에 수직으로 입사할 때를 0°로 기준으로 하여 입사각 30°, 45°, 60°, 75°로 조사하였으며, 조사된 시편에 대하여 XRD 분석 및 FE-SEM 분석을 진행하였다. 컴퓨터 코드로는 SRIM 코드 내 TRIM 코드를 사용하여 여러 입사각에 대한 헬륨 이온의 텅스텐 내 거동 및 조사손상량(DPA; Displace Per Atom), 스퍼터링 수율(Sputtering yield)을 계산하였다. TRIM 코드 결과 4MeV, 18MeV 에너지 모두 각도가 증가할수록 투과 깊이는 감소하였고, 생성되는 총 조사손상량 값은 차이가 없음을 확인하였다. 표면에 대한 스퍼터링 수율은 두 에너지 모두 입사각 60°이상에서 급격하게 증가하였고, 입사각 75°에서의 결과가 입사각이 0°일 때 보다 10배 이상 높게 나타나는 것을 확인하였다. XRD 분석 결과, 각도가 증가함에 따라 (110) 격자의 수가 감소하고 (200) 및 (211) 격자의 수가 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 4MeV의 헬륨 방사선은 45°이상에서 격자 구조가 급격하게 변한 반면 18MeV의 헬륨 방사선은 60°이상에서 격자 구조가 급격하게 변함을 확인하였다. FE-SEM 분석 결과 1500배율에서는 조사 전 및 조사 후 시편에서 거시적인 차이를 확인할 수 없었으나, 30000배율에서는 두 에너지 모두 입사각 75°에서 텅스텐 시편 표면에 μm 단위의 크랙(Crack) 및 크레이터(Crater)가 발생했음을 확인하였다.