Effects on Microstructure Change of Tungsten by High Energy He+ Ions Irradiation

Abstract

토카막을 기초로 한 핵융합로는 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)를 중심으로 활발히 연구 중이다. 이러한 핵융합로는 D-T 핵융합 반응으로 생성되는 고에너지를 이용하여 운영된다. 고에너지 입자에 의해서 발생하는 조사손상은 재료의 건전성을 위협하는 중요 요소이며, 핵융합로의 성공적인 건설과 운영을 위해서 핵심요소로 자리잡고 있다. 이러한 운영 조건에서 텅스텐은 1차벽과 PFC (Plasma Facing Material)의 최적의 후보재료로써 연구 중에 있다. 따라서, 본 연구에서는, 텅스텐에서 발생할 수 있는 고에너지 헬륨이자에 의한 재료손상을 평가하기 위한 시험을 수행하였다. 텅스텐 시편은 한국원자력의학원에 설치되어 운영중인 MC-50 사이클로트론 가속기를 사용하여 고에너지 헬륨을 조사하였다. 조사 실험은 D-T 반응으로 발생하는 3 MeV 헬륨과, 14.1 MeV 중성자에 의해 재료내부에서 생성되는 18 MeV의 헬륨을 각각 1 × 1011 에서 1 × 1016 heliums/cm2까지의 선량으로 조사실험을 수행하였다. FESEM을 통하여 관측한 텅스텐의 표면 및 단면에서 물리적 스퍼터링, 재증착, 융해와 이온범위에 대한 평가를 수행하였다. 특히, 단면을 관측하여 실험적으로 획득한 이온범위는 SRIM 시뮬레이션을 통해 평가한 내용과 매우 유사하게 평가되었다. 특히, EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy)를 통하여 표면의 이온들의 성분 분석을 수행하였는데, 이는 표면에 발생한 이물질이 외부에서 발생한 부유물일 가능성에 대한 분석으로 결과적으로 텅스텐 원소임을 확인하였다. 이는 표면에서 발생한 물리적 스퍼터링 현상으로 인해 외부로 유출된 텅스텐 원자들이 표면에 재증착 현상이 발생한 것임을 증명하였다. 재료의 조사손상은 재료 표면 외에 내부에서도 발생하며, 내부의 손상 정도를 분석을 위하여 XRD (X-ray Diffraction Spectroscopy)을 이용하였다. XRD 결과 추가적인 피크의 생성은 없었으나, 선량에 의한 강도의 변화가 관측되었다. 이러한 피크강도의 변화를 W-H 분석을 통하여 각 선량에서의 결정립 크기의 변화를 평가할 수 있으며, 선량이 증가할수록 결정립 크기가 증가하는 경향을 보였다. 이는 그간 알려졌던 조사손상에 의한 결정립 크기의 증가 경향과 매우 유사한 결과를 보였으며, 더 나아가 선량과 에너지의 일정한 구간에서 손상에 의한 결정립 크기의 증가가 회복에 의한 결정립 크기의 유지과정보다 우세하게 발생하는 것을 발견하였다. 이론적 평가를 보완하기 위하여 TEM (Transmission Electron Microscopy)를 통하여 조사 전후의 미세구조의 변화를 관찰하였다. TEM 분석에 의한 결정립 크기의 변화는 XRD 결과를 뒷받침할 수 있는 직접적인 결과를 도출하였는데, XRD 분석에서 발견하였던 조사손상의 축적과정에 의한 결정립 크기의 변화 추세를 매우 유사하게 분석하였다. 또한, TEM 분석을 통하여 헬륨이온의 조사로 인해 발생하는 재료 내부의 헬륨기포들의 생성과 성장을 평가하였으며, 선량이 증가할수록 헬륨 기포의 숫자와 크기가 반대 경향을 보였다. 이는 결정립 크기가 증가할수록 헬륨기포가 갇혀 있을 결정립계의 길이가 작아지므로 주변 기포들끼리 합쳐져 크기가 증가한다는 것을 의미한다. 마지막으로, 추후 진행될 보다 면밀한 연구를 위한 몇 가지 제언을 남겼다.; A fusion reactor based on tokamak type have been studying on International joint research such as ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). The fusion reactor is operated by using D-T reaction, which produces high energy particles; 3.5 MeV heliums and 14.1 MeV neutrons. As High energy particles irradiation can threat the material integrity due to radiation damage, a key factor to success on fusion reactor is selection of materials. In this condition, a tungsten is best candidate material as a plasma facing material. Therefore, in this paper, irradiation damage and its effect on integrity of tungsten were studied. Tungsten specimens were irradiated with high energy helium ions by MC-50 cyclotron accelerator in Korean Institute of Radiological & Medical Sciences (KIRAMS). The helium ions irradiation has 18 MeV and 3 MeV with range from 1 × 1011 to 1 × 1016 heliums/cm2. Surface and perpendicular cross section morphology on the tungsten were investigated XVIII by FESEM and showed physical sputtering, re-depositions, melting and ion range on both 18 MeV and 3 MeV. The experimentally drawn ion range of the helium ions into the tungsten was found to be in good reliability with the SRIM simulation. As additional investigation, the analysis of composition of the substances on the surface was performed by EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). The substances on the surface were revealed as the tungsten atoms, therefore, re-deposition was confirmed by following the EDX results. The X-ray diffraction (XRD) results revealed that irradiation damage made no additional peaks but the XRD peak intensity variations were clearly shown. The Williamson-Hall analysis as one of UDM (uniform deformation model) was performed for evaluation the crystallite size. The crystallite size shows increasing trends when tungsten specimens were irradiated by 18 MeV helium ions. The transmission electron microscopy (TEM) results indicate also increase in the grain size after He+ irradiation. The values of grain size, measured using the TEM, were found to be in good concurrence with the crystallite size estimated using the W-H analysis from XRD, whereas changing trends of crystallite size by 3 MeV helium irradiation show the decrease. Also, the TEM analysis shows bubble formation and growth by 18 MeV helium irradiation. Bubbles were formed from helium ions penetrated through the projectile depth. And the number density of bubble shows the decrease with increasing the fluence, whereas bubble size has increasing trends. It was found to be in good agreement with helium concentration distribution obtained from SRIM simulation.