레이저 기반 시스템, 소재 방사선 손상 실시간 모니터링 구현

• 과도 격자 분광법 기반 새 시스템, 방사선 유도 소재 변화를 실시간 탐지
• 기존 기술이 주어진 소재 완전 특성화에 반년 걸리는 반면, 이 시스템은 단 하루 소요

원자력 발전소 노심 같은 고방사선 환경은 극도로 높은 품질의 소재를 요구합니다. 이 소재들의 미세 구조, 따라서 성능은 운영 연도에 걸쳐 급격히 변합니다.

대부분의 소재는 침전 촉진, 부피 팽창, 탄도 내포물 용해, 조사 보조 응력 부식 균열, 편석 촉진 등으로 인해 고장납니다.

이러한 가혹한 환경을 견딜 수 있는 소재 능력을 테스트하는 기존 방법은 그다지 효과적이지 않습니다. '요리하고 보기(cook and look)' 접근법에 의존하는데, 소재를 고방사선 환경에 노출시킨 후 제거해 면밀히 검사합니다. 그러나 이 과정은 너무 시간 소모적이어서 신형 원자로용 첨단 소재 개발을 지연시킵니다.

이 문제를 해결하기 위해 MIT와 샌디아 국립연구소 연구팀이 방사선 유도 변화를 실시간으로 효과적으로 추적하고 기존 기술보다 더 많은 통찰을 제공하는 새로운 시스템을 구축했습니다.

수많은 원자력 시설이 운영 수명 말에 다다르고 있어, 이 기술은 어떤 원자력 발전소를 얼마나 안전하게 연장할 수 있는지 결정하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

소재 테스트의 새로운 방식

새로운 레이저 기반 시스템은 과도 격자 분광법(TGS)에 의존합니다. 이는 준입자 전파를 측정하는 광학 기술로, 소재의 특성을 손상시키거나 변경하지 않고 열확산도와 탄성도 등 물리적 변화를 탐지할 수 있습니다.

팀은 약 2년간 이 방법을 테스트해 왔습니다. 이제 시스템은 엔지니어들이 반응기 용기 내 소재가 시간이 지남에 따라 어떻게 열화되는지 이해하는 데 도움이 되는 정확한 데이터를 제공할 준비가 되었습니다.

참조: ScienceDirect | doi:10.1016/j.nimb.2018.10.025 | MIT

이것은 누군가가 TGS를 사용해 방사선으로 인한 손상을 면밀히 관찰한 최초의 사례입니다. 운영 연도 동안 소재 특성이 변경되었는지, 예를 들어 응력 대응 능력이나 열전도 능력 등을 탐지할 수 있습니다.

방사선 환경을 재현하기 위해 연구자들은 이온 빔을 사용해 중성자 폭격 효과를 시뮬레이션했습니다. 이는 실제 원자로와 비슷한 방식으로 소재를 손상시키지만 더 안전하게 작업할 수 있고 제어가 훨씬 쉽습니다. 6메가볼트 이온 가속기를 사용해 수년간의 중성자 노출을 몇 시간 만에 시뮬레이션했습니다.

샌디아 국립연구소에 설치·테스트된 새 시스템 | 이미지 출처: Cody Dennett

측정은 레이저 빔으로 소재 진동을 시뮬레이션하고 다른 레이저로 표면에서 그 진동을 관찰함으로써 이루어집니다. 이 측정은 주어진 소재의 손상 누적과 결함 등 기타 관련 특성 결정에도 사용될 수 있습니다.

시스템이 소재를 실시간으로 모니터링하므로 임계 순간에 실험을 중단하고 손상을 자세히 연구할 수 있습니다. 이는 엔지니어들이 그런 고장 뒤의 기계론적 이유를 정확히 짚어내는 것도 가능하게 합니다.

전통적 방법은 저하를 유발한 초기 요인을 찾는 데 몇 달이 걸립니다. 반면 새 시스템은 단 몇 시간 만에 같은 일을 할 수 있습니다. 보고서에 따르면 주어진 소재의 완전 특성화에 단 하루만 걸리는 반면, 기존 기술은 거의 반년이 걸립니다.

다음 단계는?

현재까지 연구자들은 텅스텐과 니켈 두 가지 순수 금속에 시스템을 테스트했습니다. 향후 몇 달간 다른 금속과 다양한 합금 테스트에 사용할 예정입니다.

참고: 우주에서 가장 강한 물질은 중성자별 지각에 있다

팀은 또한 시스템 역량을 더 개선하고 방사선에 노출된 소재의 더 많은 특성을 조사하기 위한 진단 도구를 추가하는 작업을 진행 중입니다.