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- 원자력 서비스 수명 제한적으로 연장하면 유럽의 임박한 에너지 부족 분분적으로 완충
- 물질의 원자 구조에 있는 모든 결함은 에너지 상태를 변경
- 각 결함에 대해 구조가 변형되면 방출되는 특징적인 활성화 에너지와 변형 에너지가 있다
- 에너지 방출은 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 측정
- 측정 방법은 특히 구형 원자로의 안전성을 더 잘 모니터링하는 데 도움

원자력: 새로운 측정 방법으로 숨겨진 재료 손상을 보여준다.
열량계로 오래된 원자로의 모니터링을 개선할 수 있다.

가시화되는 방사선 손상:
새로운 방법은 원자로의 숨겨진 재료 결함을 감지할 수 있으므로 오래된 원자력 발전소의 안전성을 높일 수 있다. 이것은 방출된 에너지의 열량측정을 기반으로 재료 구조에 숨겨진 손상을 감지할 수 있다. 이전에 감지할 수 없었던 방사선으로 야기된 원자로 벽이나 라인의 미세 손상을 감지할 수 있는 기회를 제공한다.

▲ 그라펜라인펠트 원자력 발전소. 원자로는 중앙의 돔 아래에 있다. 왼쪽과 오른쪽에 2개의 냉각탑이 있다. https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk#/media/Datei:Kernkraftwerk_Grafenrheinfeld_-_2013.jpg

우크라이나 전쟁과 가스 부족의 여파로 원자력은 적어도 일시적으로 회복될 수 있다. 핵폐기물의 최종 저장 문제가 해결되지 않고 있고, 원자력 발전소의 해체는 매우 복잡하고 비용이 많이 드는 것이 사실이다. 원자력 발전소의 서비스 수명을 제한적으로 연장하면 임박한 에너지 부족을 부분적으로 완충할 수 있다.

노후화 원자로의 물질적 손상

그러나 문제는 전 세계의 많은 원자로가 수십 년이 넘었다는 것이다. 압력 용기, 냉각 라인 및 기타 구성 요소의 재료는 그에 상응하는 오랜 시간 동안 방사성 방사선에 노출됐다. 이것은 필연적으로 손상으로 이어진다. "방사선이 닿으면 구조에 결함을 일으키기 때문에 물질을 변화 시킨다"라고 MIT(Massachusetts Institute of Technology)와 그의 동료 찰스 히르스트(Charles Hirst)는 설명했다. 이것은 차례로 재료 피로, 균열 및 극단적인 경우 누출까지 연결된다.

▲ 그림 1. 조사된 샘플은 어닐링 동안 저장된 에너지를 방출한다. (A) 곡선은 (결함된) 샘플의 첫 번째 열과 후속 열 2~5(어닐링된 샘플)의 평균 사이의 비전력 차이를 보여준다. 각 데이터 세트는 9개 샘플의 평균이며 오차 막대는 ± 다중 보정, 열 및 샘플의 평균에서 발생하는 SE의 구적 합산을 나타낸다. (B) 각 ROI 내에 저장된 에너지를 통합하면 조사된 샘플이 통계적으로 유의한 결과를 산출함을 보여준다. 불확실성은 샘플 및 수정 실행의 적분을 평균화하여 발생하는 SE의 구적 합산으로 계산된다. (출처: 관련논문 Revealing hidden defects through stored energy measurements of radiation damage)

방사능 누출을 방지하고 원자력 발전소의 안전을 보장하기 위해서는 발전소와 그 구성 요소를 면밀히 모니터링해야 한다. 육안 검사 외에도 투과 전자 현미경, 전도도 측정 및 PAS(양전자 소멸 분광법)를 사용해 재료 샘플을 분석해 수행한다. 그러나 그것들조차도 항상 아주 작은 손상을 감지할 수는 없다.

▲ 방사성 방사선은 기존의 방법으로는 거의 감지할 수 없는 결정 격자 수준의 구조적 변화(적색, 파란색)를 유발한다. © Hirst et al. / MIT

결함 검출기로 열량 측정

이제 새로운 절차로 더 명확해졌다.
"우리는 방사선이 방출하는 에너지를 기반으로 결함을 감지하고 정량화할 것을 제안한다"라고 Hirst와 그의 팀은 설명했다. 물질의 원자 구조에 있는 모든 결함은 에너지 상태를 변경하기 때문이다. "각 결함에 대해 구조의 변형 동안 방출되는 특징적인 활성화 에너지와 변형 에너지가 있다"라고 연구진은 설명했다.

이 에너지 방출은 시차 주사 열량측정법(Dynamic Difference Calorimetry)을 사용해 측정할 수 있다. 실험에서 과학자들은 MIT 실험 원자로에서 방사성 방사선에 장기간 노출된 티타늄 볼트의 샘플과 조사되지 않은 비교 샘플을 사용했다. 측정을 위해 샘플을 특수 측정 챔버에 넣은 다음 가열한다. "이렇게 하기 위해 실온에서 최대 600도까지 온도를 분당 약 50도씩 지속적으로 높인다"라고 Hirst는 설명했다. 그 동안 샘플이 가열되는 정도와 속도가 측정된다.

▲ 데니켄(Däniken) 마을에서 괴스겐(Gösgen) 원자력 발전소로 향하는 스위스의 원자력 발전소에 대항하는 시위 행렬 (https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk#/media/Datei:Goesgen_CH_2010_demo.JPG)

곡선의 혹은 방사선 손상을 나타낸다.

이러한 측정 중에 측정된 샘플의 열 반응은 재료에 방사선으로 인한 결함이 있는지 여부를 나타낸다. 가열의 결과 원자 구조가 변하고 그 과정에서 결함이 "가열"될 때 발생하는 온도의 점프가 있기 때문이다. "우리의 경우 결함이 재결합될 때 에너지가 분명히 방출되었다"며 "결과적으로 샘플이 일시적으로 더 뜨거워진다"라고 히르스트는 설명했다.

"실험에서 조사된 샘플은 380~470도에서 에너지의 발열 방출을 보여주고 500~590도에서 다시 에너지를 방출한다"라고 과학자들은 보고했다. 이것은 티타늄의 결함이 두 가지 개별 프로세스에서 수리된다는 것을 나타낸다. 손상되지 않은 참조 샘플과 조사된 물질을 비교함으로써 이 방법을 사용하여 손상 정도를 추정할 수도 있다.

▲ 원자력 발전소의 저압 터빈 로터 Author: Wilfried Wittkowsky (Wittkowsky at German Wikipedia)

오래된 원자로의 지속적인 운영에 중요

연구원들에 따르면, 이 측정 방법은 특히 구형 원자로의 안전성을 더 잘 모니터링하는 데 도움이 될 수 있다. MIT 수석 저자 마이클 쇼트(Michael Short)는 "이 원자력 발전소가 계속해서 올바르게 작동할 것이라고 확신할 수 있는 경우에만 이 원자력 발전소를 온라인 상태로 유지할 수 있다"라고 말했다. 이것이 바로 시차 주사 열량계가 도움이 될 수 있는 부분이다. 중요한 원자로 구성 요소의 소량의 재료 샘플로 측정에 충분하다.

이 방법은 금속뿐만 아니라 세라믹 재료 또는 반도체에도 적용된다.
Short가 설명하는 것처럼, 팀은 금속이 가장 측정하기 어렵기 때문에 테스트 재료로 티타늄을 의도적으로 사용했다. "그것이 작동한다면 다른 모든 것이 작동할 것이다. 따라서 이 방법은 거의 모든 곳에서 사용할 수 있다"라고 쇼트는 말했다.
(Science Advances, 2ß22; doi: 10.1126/sciadv.abn2733)
출처: Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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