Establishment of a Multiscale Simulation System for Prediction of Neutron Induced Radiation Hardening in Metals

Abstract

중성자의 조사로 인해 금속의 경화가 유발되는 현상을 예측하기 위해 세 개의 새로운 코드를 개발하였다. RASG 코드는 주어진 중성자 환경에서 평가핵자료집을 이용하여 충돌 후 원자의 에너지 분포를 구해 주는 코드이다. 특히 충돌 후 원자의 에너지 분포를 구하는데 반드시 필요한 에너지 전달 함수는 평가핵자료집의 중성자 산란 확률을 이용하여 계산한다. 코드 개발 후 SPECTER와 NJOY99 등과 같은 코드와 비교를 해 보았을 때, 탄성 및 불연속 이원자 비탄성 충돌의 경우 완전히 일치하는 것을 확인하였다. 하지만 다른 반응들의 경우 약간 차이가 존재하는 것을 알 수 있었는데 핵융합 블랭킷이나 핵분열 원자로의 중성자 스펙트럼 하에서는 탄성 충돌이 지배적이기 때문에 결과에는 큰 영향을 주지 않는다는 사실을 확인하였다. 한편 INCAS 모델을 구현하는 코드는 이미 기존에 존재하는 알고리즘을 그대로 사용하였다. 하지만 기존 모델과 달리 두 가지 개념을 새롭게 정의하였다. 첫번째로 저에너지 충돌로 인해 손실되는 에너지를 Secondary Knock-on Atom (SKA)의 충돌 후 에너지로 재정의 하였고, 손상에 전혀 기여하지 않는 충돌 또한 SKA의 충돌 후 에너지로 새롭게 정의하였다. 이러한 재정의는 기존의 INCAS 모델을 손상시키지 않으면서 높은 에너지를 갖는 충돌 후 원자에 의한 조사 손상을 효과적으로 해석할 수 있는 단초를 제공한다. 즉, 높은 에너지를 갖는 Primary Knock-on Atom(PKA)의 조사 손상을 더 낮은 에너지를 SKA의 조사 손상으로 치환함으로써 분자동역학의 계산량을 획기적으로 감소시켜 준다. 마지막으로 개발된 코드는 PAVIO로 명명된 코드이다. 이 코드의 특징은 동역학적 몬테칼로법을 이용하여 추상적인 객체로 모델링 된 결함들이 열평형 상태에서 확산을 해 나감에 따라 변화하는 공간적 분포와 시간에 따른 거동을 모사하는 코드이다. 보통 이러한 방법을 Object Kinetic Monte Carlo(OKMC)라고 부른다. 한편 열평형 상태에서 결함들의 분포를 모사하기 위해서는 반드시 결함들의 물성 데이터가 필요하다. 본 논문에서는 기존에 이미 발표된 연구 결과들을 활용하여 이 부분을 해결하였다. 한편 PAVIO 코드는 이와 유사한 코드인 BIGMAC이나 LAKIMOCA 코드와 다른 두가지 특징을 갖는다. 첫번째로 PAVIO 코드는 중성자 수송 코드에서 계산되는 평균 DPA 값을 명시적으로 보존한다. 두번째로 PAVIO 구동 시 사용되는 Primary Damage의 분포 확률을 INCAS 계산으로 보정된 것을 사용한다. 이 세가지 코드와 중성자 수송 해석 코드인 MCCARD, 분자동역학 코드인 LAMMPS를 사용하는 계산 체계를 구축하였다. MCCARD는 몬테칼로 기반의 중성자 수송 해석 코드로서 주어진 환경의 중성자속을 구한다. 이 결과를 가지고 RASG 코드는 충돌 후 원자의 에너지 분포를 계산하며 INCAS 계산을 이용하여 효과적으로 보정해준다. 이 자료를 바탕으로 LAMMPS 코드를 이용하여 각각의 충돌 후 원자가 만들어내는 결함의 종류와 공간적 분포의 표본을 수집한다. 이러한 데이터는 모두 PAVIO 코드의 입력 자료로 활용되며 PAVIO 코드는 이를 이용하여 열평형 상태에서 결함의 공간적, 시간적 분포를 계산한다. 실제 이 코드 체계가 작동하는지 알아보기 위해 핵융합로 블랭킷 모델 중 하나인 Helium Cooled Molten Lithium (HCML) Test Blanket Module (TBM)을 대상으로 중성자의 스펙트럼 조정이 손상에 미치는 영향을 알아보았다. 스펙트럼 조정에 사용된 물질은 B4C, Be, Graphite, TiC 네가지이며, 각각의 경우에 대해 전체 다중 스케일 계산 과정을 수행해 보았다.

Three codes are newly developed for the prediction of mechanical property change under a neutron irradiation condition. The RASG code constructs the differential recoil spectrum from the neutron flux directly using the Evaluated Nuclear Data File (ENDF/B-VII). It takes the neutron scattering data from the ENDF/B-VII files and converts it into the energy transfer kernel required for the damage calculation. In this process, it turns out that the elastic and two-body discrete scatterings are exactly consistent with the results of the SPECTER and NJOY99 code system because the collision models are fully same. Except for these reactions, there are found some differences in the calculation of the recoil spectrum. However, it is appeared that such differences hardly affect total recoil spectrum since the elastic scattering is dominant in either case of fusion blanket or fission reactor. On the other hand, the INegration of CAScade (INCAS) model is not a new one at all. However, two concepts are newly redefined in this work and applied to manipulate the recoil spectrum obtained by the RASG code. The transferred energy into the damage zone with low transferred energy (LTE) in the INCAS model is considered as the recoil energy of a secondary Knock-on atom (SKA) and the energy loss by the subthreshold collision is also represented by the recoil energy of a SKA. The equivalencies among the concepts are concretely provided in the section of the background theory. Alternative interpretation for the meaning of dissipated energy enables us to split the recoil energy highly enough to form a subcascade into smaller recoil energies of SKAs. And it follows to reduce the domain of recoil energies and avoid unnecessary calculations in the MD simulations. Therefore, the introduction of INCAS model contributes effectively to increase the computational efficiency of whole calculations. Final code developed in this study is the PAVIO code. Its algorithm for calculations is based on the kinetic Monte Carlo method, while the simplest model which describes the point defects or defect clusters as an object is introduced among the methods of modeling. This is called as Object Kinetic Monte Carlo (OKMC). The fundamental data responsible for thermally activated process are very important in the OKMC simulation. In this study, the data sets given in the reference paper for the pure iron are used by assuming that the target material is a pure iron. On the other hand, the PAVIO code two characteristics that are different from the pre-existing codes such as BIGMAC or LAKIMOCA. The first one is that the conservation law is explicitly included in the code for maintaining the consistency between neutron transport code and kinetic Monte Carlo code. And the other one is that the primary damage is sampled out along the modified recoil spectrum by the INCAS model. Those three codes are combined with the existing codes such as MCCARD and LAMMPS. The MCCARD is the neutron transport code so that it provides the data for neutron flux under a given neutronic environment. Then, the RASG code converts it into the recoil spectrum of the target material. If the INCAS model is applied to the recoil spectrum, it removes the high energy groups from the recoil spectrum. As a result, the shape and area of the original recoil spectrum changes due to the contribution of recoil energies of SKAs. The Molecular Dynamics code, LAMMPS, provides the spatial distribution of surviving point defects at each group of recoil energies. All output data from the previous step including the recoil spectrum, cascade samples are used as input data of the PAVIO code. Then, the PAVIO code simulates the evolution of the defects along the time and DPA over a long period. As an actual application, the effects of the neutron spectral shifter introduced in the Helium Cooled Molten Lithium (HCML) test blanket module (TBM) on the change of mechanical property is evaluated by using the codes system established in this work. Four materials, B4C, Be, Graphite, TiC, are chosen as candidate materials of the spectral shifter and the multiscale simulations are carried out for each case.