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Nov 26, 2023

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16042(2015) 이 기사 인용

방사선 손상으로 인한 기계적, 물리적 특성 변화에 대한 지식은 미래의 핵융합로 개발에 필수적입니다. 이온 조사는 조사 손상 연구를 위한 탁월한 프록시를 제공하여 샘플 활성화 없이 높은 손상 선량을 허용합니다. 제한된 이온 침투 깊이는 수 미크론 두께의 손상된 층만 생성된다는 것을 의미합니다. 이러한 얇은 이식층의 기계적 특성을 조사하기 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다. 그러나 반응기 설계의 핵심이지만 적절한 측정 기술이 부족하여 열 전달 특성이 아직 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 여기에서는 핵융합 갑옷용 이온 주입 텅스텐의 비접촉 열확산도 측정을 보여줍니다. 변환 요소와의 합금화 및 주입으로 인한 결함과 보유 가스의 상호 작용은 둘 다 열 확산율을 크게 감소시킵니다. 이러한 변화는 우리의 모델링 접근 방식에 의해 잘 포착됩니다. 우리의 관찰은 미래의 핵융합 발전소 설계에 중요한 영향을 미칩니다.

핵융합은 지속 가능한 이상적인 에너지원입니다. 상업적 개발의 주요 장애물은 충분히 탄력적인 재료의 가용성입니다. 텅스텐 기반 합금은 미래의 자기밀폐형 핵융합로에서 플라즈마를 향하는 부품의 주요 후보입니다1. 데모(DEMO) 원자로에서는 고온(~1500K), 14.1MeV 핵융합 중성자 조사 및 대량의 에너지 이온(최대 15MWm−2)2,3에 노출됩니다. 높은 열 전도성은 주요 재료 선택 기준 중 하나입니다4. 열 전도성이 크게 저하되면 과도한 온도가 발생하여 핵융합 방어구 무결성에 잠재적으로 재앙적인 결과를 초래할 수 있습니다5.

14.1 MeV 중성자에 핵융합 갑옷이 노출되면 연쇄 손상과 변형 합금이 발생합니다. 계산에 따르면 5년 작동 후 DEMO 전환기의 초기 순수 텅스텐(W)에는 최대 4원자%의 레늄(Re)6이 포함됩니다. W-5%Re 합금은 순수 텅스텐7,8의 실온 열확산율의 절반 미만을 갖습니다. 열전도율에 대한 핵융합 중성자 캐스케이드 손상의 영향을 정량화하는 것은 더 어렵습니다. 대신 핵분열 중성자 조사 텅스텐의 열 전달이 고려되었습니다9,10. DEMO6에서 3개월 안에 도달할 수 있는 원자당 0.6 변위(dpa)의 손상 수준으로 인해 실온 열전도도가 25%10 감소했습니다.

흥미로운 역할은 변환에 의해 형성되고 플라즈마에서 텅스텐 매트릭스로 주입되는 헬륨에 의해 수행됩니다. 고온에서 헬륨은 표면에서 벌크로 이동하고 조사로 인한 결함11과 강력하게 상호 작용하여 공극에 결합하고 SIA(자기 간질 원자)와의 재조합을 억제합니다. 헬륨 이온 주입은 이러한 상호 작용을 연구하는 효율적인 도구이며 미크론 단위로 얇은 이온 주입 층의 기계적 특성을 정량화할 수 있는 미세 역학 접근법의 개발에 많은 노력을 기울였습니다.

그러나 이온으로 손상된 층의 열 전달 특성은 적절한 실험 기술이 부족하여 아직까지 대부분 탐구되지 않았습니다. 위에 인용된 참고문헌에서는 레이저 플래시 기술8,9,10 또는 전기 저항률 측정7을 사용했습니다. 둘 다 대량 샘플에만 적합합니다. 최근 이온이 조사된 얇은 표면층의 열 전달을 정량화하기 위해 3-오메가 기술19과 열 반사율 측정20,21이라는 두 가지 새로운 접근법이 제안되었습니다. 전자는 샘플에 복잡한 표면 특징을 증착해야 하며 상당한 실험적 불확실성을 보여주었습니다. 후자는 코팅된 샘플이 필요했고, 조사된 깊이는 선험적으로 알려지지 않은 열 확산율에 따라 달라졌습니다.

여기에서는 이온 주입 재료의 열 전달 특성을 측정하는 완전히 다른 새로운 접근 방식을 제시합니다. 비접촉식 레이저 유도 과도 격자(TG) 기술22을 사용하여 우리는 헬륨 주입 텅스텐의 수 미크론 두께 층의 열 확산도를 정량화합니다. 변환 합금의 효과는 텅스텐-레늄 합금을 고려하여 모방됩니다. 두 가지 유형의 샘플 모두 열 확산율에 상당한 변화가 있음을 발견했습니다. 이는 운동 이론 모델을 사용하여 분석되어 기본 결함 분포에 대한 통찰력을 제공합니다. 우리의 결과는 미래의 핵융합로에 대한 현재 설계 관행에 비추어 논의됩니다.