NET 논문 소개
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● 제목 : Implementation of Fe Ion Irradiation and High-Temperature Target Design at KAHIF for Neutron Damage Simulation in Fusion Structural Materials
● 저자 : 한국원자력연구원 하나로양자과학연구소 (제1저자 이상빈, 교신저자 이승현)(공저자: 장대식, 이기현, 허성렬)( Sangbeen Lee, Dae-Sik Chang, Kihyun Lee, Sung-Ryul Huh, Seunghyun Lee)
- □ 핵융합 재료의 한계: 미래 핵융합 에너지의 실현은 극한의 방사선 환경(수백 dpa)을 견디는 고성능 재료 개발에 달려있습니다.
- □ 기존 연구의 어려움: 전통적인 연구로 기반 시험은 전 세계적인 시설 부족, 긴 조사 시간(연간 최대 8~20 dpa), 막대한 비용의 한계가 있습니다.
- □ 가속기 기반 대안: 가속기를 이용한 이온 조사는 높은 손상률(DPA rate)로 재료의 방사선 손상을 빠르고 효율적으로 연구할 수 있는 유망한 대안입니다.
- □ 신뢰성 검증: 다수의 연구를 통해 이온빔 조사가 원자로 내 중성자 조사 효과를 성공적으로 모사할 수 있음이 입증되어, 재료 성능 예측의 과학적 기반이 됩니다.
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□ KAHIF 개요: KAHIF(한국원자력연구원 중이온조사시설)는 핵융합 및 차세대 원자로 재료 연구를 위해 구축된 RF 기반 선형가속기(linac) 시스템입니다.
2. 주요 연구 응용 및 Fe 이온 조사 검증
□ 손상 모사 시뮬레이션: KAHIF는 He, Ar, Fe 등 다양한 이온빔을 핵융합 재료(예: 저방사화강 ARAA) 조사에 활용하며, SRIM 코드를 이용해 깊이에 따른 DPA(원자 변위) 및 이온 농도 분포를 예측합니다.
□ 무거운 이온 조사: RF 가속기 특성상 Fe와 같은 무거운 이온을 높은 에너지로 가속할 수 있어, 더 깊은 깊이까지 더 높은 DPA의 손상을 모사할 수 있습니다.
□ Fe 이온빔 검증: Fe 이온빔(9.605 MeV) 생성 및 가속 성능을 검증하기 위해 순수 몰리브덴(Mo) 시편에 Fe 이온을 조사하는 실험을 수행했습니다.
□ 실험 결과: 조사 후 시편의 단면을 TEM-EDS로 분석한 결과, SRIM 시뮬레이션 예측과 일치하는 약 2.5 µm 깊이에서 Fe 이온의 최대 농도를 실험적으로 확인했습니다.
3. 빔라인 성능 향상 및 신규 표적 시스템
□ 업그레이드 목적: 더 다양한 실험 환경(예: 핵융합 환경 모사)을 제공하고 정확한 빔 진단을 위해 MEBT 빔라인 업그레이드를 진행 중입니다.
□ 공간 재설계: 약 2.0 m 길이의 기존 MEBT 공간을 재설계하여, 더 집적화된 신형 사극자석(Quadrupole magnets)을 설치하고, 그 공간에 빔 진단 챔버와 신규 표적 챔버를 추가합니다.
□ 정밀 빔 진단: 신규 빔 진단 챔버에는 빔 위치 모니터(BPM), 와이어 스캐너 등이 설치되어 시편에 조사되는 빔 프로파일을 실시간으로 정밀하게 측정할 것입니다.
□ 고기능 표적 챔버: 신규 표적 챔버는 교체 가능한 시편 홀더를 특징으로 하며, 900°C 이상의 고온 가열 홀더와 실온 유지를 위한 냉각 홀더를 포함합니다.
□ 사용자 유연성: 3축 제어 모터를 통해 빔 입사 각도를 조절할 수 있으며, 게이트 밸브를 설치하여 사용자가 자체 제작한 특수 목적의 실험 챔버로 쉽게 교체할 수 있도록 유연성을 극대화할 계획입니다.
- □ KAHIF의 역할: KAHIF는 기존 연구로 기반 시험의 시간적, 비용적 한계를 극복하고 중성자 손상을 효과적으로 모사하는 핵심 연구 인프라입니다.
- □ 신뢰성 확보: 이온빔과 중성자 조사로 유도된 재료의 특성 변화 사이의 높은 상관관계가 입증됨에 따라, KAHIF는 신뢰할 수 있는 중성자 손상 모사 도구로 자리매김하고 있습니다.
- □ 미래 계획: 현재 진행 중인 MEBT 빔라인 업그레이드를 통해 고온 조사 환경, 실시간 빔 특성 분석 등 더욱 향상된 실험 환경을 제공할 것입니다.
- □ 기대 효과: KAHIF는 이러한 역량과 지속적인 개발을 통해 향후 국내 핵융합 및 차세대 원자로 재료 개발과 검증에 핵심적인 역할을 수행할 것입니다.
