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admin

2017-01-16 11:16:43

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조사손상[radiation damage]

방사선조사에 의한 재료의 구조나 특성을 주로 하여 바람직하지 않는 방향으로 변화하는 것을 가리키고, 조사효과와 거의 같은 뜻으로 사용되는 경우도 있다. 또 결정성재료에서는 조사효과를 가진 가장 중요한 원인이 원자의 녹온(atomic displacement)인 것으로, 원자의 녹온에 의해 생기는 격자결함을 조사손상 또는 방사선손상으로 부르고 있다.

조사에 의해 생기는 결함의 본질적 특징은 공격자점과 격자간원자가 1∶1로 생기는 소위 프렌켈결함인 경우이다. 실제로는 순수한 프렌켈결함이 생성하는 것은 ～1 MeV 정도의 전자선조사로 한정되고, 다른 대부분의 경우에는 이들 점결함에 덧붙여 그들이 클러스터한 것 또한 전위루프가 형성된다.

조사손상은 방사선의 에너지가 다양한 형태로 물질 속에 흡수됨으로써 일어난다. 그 기구는 대별하여

①전자들뜨기 및 이온화

②원자 또는 원자핵의 탄성충돌

③핵반응

으로 나눌 수 있다.

①의 경우 최종적으로는 전자계에 주어진 에너지는 격자계로 이동해 열에 전달되므로 손상이라는 형태의후유증은 남는다(최근 고에너지 중(重)이온 조사된 금속에서 전자들뜨기에 의해 격자결함이 소멸되거나 새로운 결함이 생성하는 현상이 일어나는 것이 확인되고 있다).

한편 이온결정이나 고분자에서는 들뜨기가 해소될 때 원자가 녹온되거나 원자간의 결합이 절단되거나 또는 가교(架橋)가 일어나기도 하여 가역적 또는 영구적인 조사효과가 남는다.

②의 기구에 의해 어느 문지방에너지 이상의 운동에너지가 원자핵에 주어지면 원자가 정규의 격자위치에서 녹온되어 프렌켈쌍이 만들어진다. 이것이 소위 협의의 조사손상이다. 만일 조사효과가 이 기구에만 의한 것이면 소둔에 의해 공격자점과 격자간원자가 재결합하고 본래의 결정에 돌아오므로 가역적 효과인데, 실제로는

③의 효과와 같이 되므로 비가역적으로 되는 경우가 많다. ③은 중성자나 고에너지 이온조사인 경우에 일어나고 원자종 자체가 변화하므로 영구적인 조사효과라고 할 수 있다. 핵변환은 대별하여 두가지로 분류할 수 있다. 그 하나는 예를들면 (n, p)나 (n, α)반응에 의해 수소나 헬륨이 생기는 반응으로 이들 가스원자는 ②에 의해 생기는 점결함과 일체가 되어 조사재의 조직이나 성질에 큰 영향을 미친다. 나머지 하나는 고체 핵변환생성물의 생성으로, 특히 고(高)조사량을 받는 원자로 노심구조재료나 핵융합재료에서는 합금조성이 크게 변화하는 경우도 일어날 수 있다.

조사손상의 중심적 기구인 원자의 녹온(knock-on)에 대해서 약간의 보충설명을 하기로 한다.

방사선의 표적이 되는 물질의 구성원자 1개당 어느 정도로 녹온이 일어나는 가를 나타내는 수를 dpa(displacements per atom)라고 하고, 일종의 조사량의 단위이지만 dpa가 1보다 훨씬 작은 경우는 생성하는 프렌켈쌍의 농도라는 의미를 갖는다. 원자로 노심의 연료나 재료에서는 dpa가 1을 훨씬 넘는 경우가 많고, 예를들면 고속로의 연료피복재나 핵융합로의 제1벽․브래킷 구조재료에서는 100dpa 또는 그것을 넘는 조사를 받는 것이 예상된다. 이러한중(重)조사영역까지 재료가 기능을 다할 수 있는 것은 조사결함이 생성․소멸을 반복하기 때문이다.

dpa의 값을 계산하는 기본적인 고찰을 그림에 나타낸다.