파쇄
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1. 개요
파쇄는 고체 역학, 레이저 유도 기술, 핵물리학 등 다양한 분야에서 나타나는 현상으로, 재료의 파괴, 얇은 막의 박리, 그리고 원자핵의 분열을 의미한다. 고체 역학에서는 응력파에 의해 재료가 파괴되는 현상을, 레이저 유도 파쇄에서는 레이저를 이용하여 얇은 막을 기판에서 분리하는 기술을, 핵 파쇄에서는 입자 가속기를 이용해 중성자를 생성하거나 우주선 충돌로 인한 원자핵 분열 현상을 지칭한다. 특히 핵 파쇄는 중성자원 개발 및 이국적인 원자핵 연구에 활용되며, RI 빔 팩토리와 같은 시설에서 연구가 진행되고 있다.
파쇄는 재료에 인장 응력파가 작용할 때 발생하는 파괴 현상으로, 평판 충격 시험에서 관찰할 수 있다. 응력파의 상호 작용으로 발생한 응력이 재료의 국부적인 인장 강도를 초과하면 내부 공동 현상이 발생한다.
레이저 유도 박리는 얇은 막의 접착 강도를 측정하는 기술이다. Nd:YAG와 같은 고에너지 펄스 레이저를 사용하여 기판에 압축 응력 펄스를 생성하고, 이 펄스가 인장파로 변환되어 얇은 막을 분리시킨다.
2. 고체 역학에서의 파쇄
2. 1. 파쇄 메커니즘
파쇄는 인장 응력파가 재료를 통과할 때 발생할 수 있으며, 평판 충격 시험에서 관찰될 수 있다. 응력파의 상호 작용으로 생성된 응력이 재료의 국부적인 인장 강도를 초과하여 내부 공동 현상이 발생하기 때문이다. 판의 자유 단에서 파편 또는 여러 파편이 생성된다. "파쇄"로 알려진 이 파편은 재료의 응력파 속도의 1/3에 달하는 속도를 가진 이차 발사체 역할을 한다. 이러한 유형의 파괴는 일반적으로 HESH의 영향이다.
2. 2. 고폭 압착 두부탄(HESH)
파쇄는 인장 응력파가 재료를 통과할 때 발생할 수 있으며, 평판 충격 시험에서 관찰될 수 있다. 응력파의 상호 작용으로 생성된 응력이 재료의 국부적인 인장 강도를 초과하여 내부 공동 현상이 발생하기 때문이다. 판의 자유 단에서 파편 또는 여러 파편이 생성된다. "파쇄"로 알려진 이 파편은 재료의 응력파 속도의 1/3에 달하는 속도를 가진 이차 발사체 역할을 한다. 이러한 유형의 파괴는 일반적으로 HESH의 영향이다.
3. 레이저 유도 파쇄
3. 1. 레이저 파쇄 기술의 원리
레이저 유도 박리는 얇은 막의 접착을 기판에 대해 이해하기 위해 개발된 최근의 실험 기술이다. 고에너지 펄스 레이저 (일반적으로 Nd:YAG)를 사용하여 기판에 압축 응력 펄스를 생성하는데, 이 펄스는 자유 경계에서 인장파로 전파되고 반사된다. 이 인장 펄스는 기판을 향해 전파되면서 얇은 막을 박리시킨다. 파동 전파 이론을 사용하여 계면 강도를 추출할 수 있다. 이 예에서 생성된 응력 펄스는 일반적으로 지속 시간이 약 3ns~8ns이며, 그 크기는 레이저 플루언스의 함수로 변한다. 비접촉식 하중 적용으로 인해 이 기술은 초얇은 막 (두께 1um 이하)의 박리에 매우 적합하다. 또한 펄스 형상 프리즘을 사용하여 종파 응력파를 전단 응력으로 모드 변환하여 전단 박리를 달성할 수도 있다.[1]
3. 2. 레이저 파쇄 기술의 장점
레이저 유도 박리는 얇은 막의 접착을 기판에서 이해하기 위해 개발된 최신 실험 기술이다. 고에너지 펄스 레이저(일반적으로 Nd:YAG 레이저)를 사용하여 기판에 압축 응력 펄스를 생성하는데, 이 펄스는 자유 경계에서 인장파로 전파되고 반사된다. 이 인장 펄스는 기판을 향해 전파되면서 얇은 막을 박리시킨다. 파동 전파 이론을 사용하여 계면 강도를 추출할 수 있다. 생성된 응력 펄스는 일반적으로 지속 시간이 약 3~8나노초이며, 그 크기는 레이저 플루언스의 함수로 변한다. 비접촉식 하중 적용으로 인해 이 기술은 초얇은 막(두께 1마이크로미터 이하)의 박리에 매우 적합하다. 또한 펄스 형상 프리즘을 사용하여 종파 응력파를 전단 응력으로 모드 변환하여 전단 박리를 달성할 수도 있다.
4. 핵 파쇄
핵 파쇄는 크게 두 가지 현상으로 나뉜다. 하나는 입자 가속기를 이용해 중성자를 생성하는 과정이고, 다른 하나는 우주선에 의해 발생하는 현상이다.
- 입자 가속기를 이용한 핵 파쇄: 입자 가속기를 사용하여 중성자 빔을 생성한다. 약 1 GeV의 양성자 빔을 수은, 탄탈럼, 납[1] 또는 다른 중금속 표적에 쏘면, 표적 핵이 여기된 후 탈여기되면서 핵당 20~30개의 중성자가 방출된다.
- 우주선에 의한 핵 파쇄: 지구 대기와 운석, 달과 같은 우주 물체의 표면에서 자연적으로 발생한다. 우주선 파쇄 증거는 물체 외부 표면에서 관찰되며, 이를 통해 노출 시간을 측정할 수 있다. 리튬, 붕소, 베릴륨과 같이 가벼운 원소 비율이 평균 우주 풍부도를 초과하는 것은 우주선 자체가 지구에 도달하기 전 파쇄를 겪었음을 시사한다. 이러한 가벼운 원소들은 산소, 질소, 탄소, 규소가 파쇄되어 형성된 것으로 추정된다. 지구에서는 우주선 폭격으로 지구 원소가 파쇄되어 생성된 우주 기원 핵종인 알루미늄, 베릴륨, 염소, 요오드, 네온 동위원소가 검출되었다.[1] [2]
4. 1. 핵 파쇄 반응
핵 파쇄는 입자 가속기를 사용하여 중성자 빔을 생성할 수 있는 과정 중 하나이다. 약 1 GeV의 양성자로 구성된 입자 빔을 수은, 탄탈럼, 납[1] 또는 다른 중금속으로 구성된 표적에 쏜다. 표적 핵은 여기되고 탈여기 시 핵당 20~30개의 중성자가 방출된다. 이는 원자로에서 핵분열의 연쇄 반응을 통해 중성자 빔을 생성하는 것보다 훨씬 더 비싼 방법이지만, 빔을 비교적 쉽게 펄스화할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 하나의 파쇄 중성자의 에너지 비용은 핵분열을 통해 얻은 중성자의 6배 낮다. 핵분열과 달리, 파쇄 중성자는 추가 중성자를 생성하기 위해 추가 파쇄 또는 핵분열 과정을 유발할 수 없다. 따라서 연쇄 반응이 없으며, 이는 과정을 비임계로 만든다. 우주선 파쇄 관찰은 이미 1930년대에 이루어졌지만,[2] 입자 가속기로부터의 첫 번째 관찰은 1947년에 이루어졌으며, "파쇄"라는 용어는 같은 해 노벨상 수상자 글렌 T. 시보그에 의해 만들어졌다.[3] 파쇄는 MYRRHA와 같은 아임계 원자로에서 제안된 중성자원으로, 고준위 폐기물의 덜 유해한 물질로의 핵 변환 가능성을 연구할 계획이다. 아임계 원자로는 임계성 ''바로 아래''에 있는 중성자 증배 인자를 갖는 것 외에도, 중성자당 평균 에너지 소비가 약 30 MeV (1GeV 빔이 가장 생산적인 표적에서 30개 이상의 중성자를 생산)인 반면 핵분열은 분열된 악티나이드 원자당 약 200 MeV을 생성하므로 순 사용 가능한 에너지를 생성할 수 있다. 관련된 과정의 비교적 낮은 에너지 효율에서도, 순 사용 가능한 에너지를 생성할 수 있으며, 기존 원자로에서 사용하기 부적합한 악티나이드를 "연료"로 사용할 수 있다.4. 2. 핵 파쇄 중성자원
핵 파쇄는 입자 가속기를 사용하여 중성자 빔을 생성하는 과정 중 하나이다. 약 1 GeV의 양성자로 구성된 입자 빔을 수은, 탄탈럼, 납[1] 또는 다른 중금속으로 구성된 표적에 쏘아 핵을 여기시키고, 탈여기 시 핵당 20~30개의 중성자를 방출시킨다.핵 파쇄는 원자로에서 핵분열의 연쇄 반응을 통해 중성자 빔을 생성하는 것보다 비용이 많이 들지만, 빔을 쉽게 펄스화할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 파쇄 중성자는 핵분열 중성자보다 에너지 비용이 6배 낮다. 핵분열과 달리 파쇄 중성자는 추가 파쇄나 핵분열을 유발하지 않아 연쇄 반응이 없어 비임계 상태를 유지한다.
우주선 파쇄는 1930년대에 관찰되었고,[2] 입자 가속기를 이용한 첫 관찰은 1947년에 이루어졌다. "파쇄"라는 용어는 글렌 T. 시보그가 같은 해에 만들었다.[3] 파쇄는 MYRRHA와 같은 아임계 원자로에서 중성자원으로 제안되었으며, 고준위 폐기물을 덜 유해한 물질로 핵 변환하는 연구에 활용될 예정이다. 아임계 원자로는 임계성 바로 아래의 중성자 증배 인자를 가지며, 핵분열(악티나이드 원자당 약 200 MeV 생성)과 달리 중성자당 평균 에너지 소비가 약 30 MeV로 순 에너지를 생성할 수 있다. 낮은 에너지 효율에도 불구하고 순 에너지를 생성하며, 기존 원자로에서 사용하기 부적합한 악티나이드를 "연료"로 사용할 수 있다.
파쇄 조각에는 중성자 과잉 핵이나 양성자 과잉 핵처럼 자연계에 없는 짧은 수명의 핵종(이국적인 원자핵)이 포함된다. 이화학연구소(리켄)의 RI 빔 팩토리 계획 등에서 이 파쇄 조각을 RI 빔으로 활용하는 연구가 진행 중이다. 빔으로 가속된 RI는 상대론적 효과로 수명이 연장되어 짧은 수명의 핵 연구에 용이하다.
4. 2. 1. 중성자 생성 과정
일반적으로 파쇄 중성자원에서 중성자 생성은 고출력 양성자 가속기로 시작한다. 가속기는 선형 가속기만으로 구성되거나(예: 유럽 스팔레이션원) 선형 가속기와 싱크로트론의 조합(예: ISIS 중성자원) 또는 사이클로트론(예: SINQ (PSI))으로 구성될 수 있다. 예를 들어, ISIS 중성자원은 이전 님로드 싱크로트론의 일부 구성 요소를 기반으로 하는데, 입자 물리학에 경쟁력이 없었기 때문에 새로운 싱크로트론으로 대체되었으며, 원래의 주입기를 사용했지만 고강도 펄스 양성자 빔을 생성한다. 님로드는 7 GeV에서 2μA를 생성하는 반면, ISIS는 0.8 GeV에서 200μA를 생성한다. 이는 50 Hz의 속도로 펄스되며, 이 강렬한 양성자 빔은 표적에 집중된다. 고갈 우라늄 표적을 사용한 실험이 진행되었지만, 이러한 표적은 가장 강렬한 중성자 빔을 생성하지만 수명이 가장 짧다. 따라서 일반적으로 탄탈럼 또는 텅스텐 표적이 사용된다. 표적의 스팔레이션 과정은 처음에 매우 높은 에너지(양성자 에너지의 상당 부분)에서 중성자를 생성한다. 그런 다음 이 중성자는 액체 수소 또는 액체 메탄으로 채워진 감속재에서 산란 기기에 필요한 에너지로 감속된다. 양성자는 전하를 띠고 있기 때문에 초점을 맞출 수 있지만, 전하가 없는 중성자는 그럴 수 없으므로 이 배열에서 기기는 감속재 주위에 배치된다.4. 2. 2. 중성자원의 활용
중성자 산란에는 중성자 회절, 소각도 중성자 산란, GISANS, 반사율 측정법, 비탄성 중성자 산란(삼중축 분광기, 비행 시간 분광기, 역산란 분광기, 스핀 에코 분광기) 등이 있다.그 외 활용분야로는 중성자 단층 촬영, 활성화 분석, 즉발 감마 활성화 분석, 초저온 중성자와 간섭계 등 중성자를 이용한 기초 연구, 중성자 방사선 촬영법 등이 있다. 중성자 방사선 촬영법은 구조 내의 수소 원자를 찾고, 원자 열 운동을 해결하고, X선보다 더 효과적으로 포논의 집단적 여기를 연구하는 데 사용된다.[4]
4. 2. 3. 주요 파쇄 중성자원 시설
| 대륙 | 주요 시설 |
|---|---|
| 아메리카 | LANSCE, SNS |
| 오세아니아 | OPAL |
| 아시아 | J-PARC, HANARO |
| 유럽 | ILL, ISIS 중성자 및 뮤온원, SINQ, ESS (건설 중) |
4. 3. 우주선 파쇄
지구 대기, 운석, 달과 같은 우주 물체의 표면에서 우주선 충돌로 인한 핵 파쇄가 자연적으로 발생한다. 우주선 파쇄 증거는 물체 외부 표면에서 관찰되며, 이를 통해 노출 시간을 측정할 수 있다. 우주선 구성 성분 중 리튬, 붕소, 베릴륨과 같은 가벼운 원소 비율이 평균 우주 풍부도를 초과하는데, 이는 우주선 자체가 지구 도달 전 파쇄를 겪었음을 시사한다. 이러한 가벼운 원소들은 우주선 기원지 또는 지구로 오는 동안 산소, 질소, 탄소, 규소의 파쇄로 형성된 것으로 추정된다. 지구에서는 우주선 폭격에 의해 지구 원소가 파쇄되어 생성된 우주 기원 핵종의 알루미늄, 베릴륨, 염소, 요오드, 네온 동위원소가 검출되었다.[1] [2]5. 이국적인 원자핵 연구
파쇄 조각에는 중성자 과잉 핵이나 양성자 과잉 핵과 같이 자연계에 존재하지 않는 매우 짧은 수명의 핵종(일명 이국적인 원자핵)이 포함되어 있다.[1] 이 파쇄 조각을 변별하여 RI 빔으로 활용하는 연구가 진행되고 있다.
5. 1. RI 빔 팩토리
이화학연구소(리켄)의 RI 빔 팩토리에서는 파쇄 조각을 변별하여 RI 빔으로 활용하는 연구가 진행되고 있다.[1] 빔으로 가속된 RI는 상대론적 효과에 의해 수명이 연장되므로 매우 짧은 수명의 핵에 관한 연구가 가능하다.[1] 이를 통해 중성자 과잉 핵이나 양성자 과잉 핵과 같이 자연계에 존재하지 않는 매우 짧은 수명의 핵종(이국적인 원자핵)을 연구할 수 있다.[1]5. 2. RI 빔 연구의 의의
중성자 과잉 핵이나 양성자 과잉 핵과 같이 자연계에 존재하지 않는 매우 짧은 수명의 핵종(이국적인 원자핵)을 빔으로 가속된 RI는 상대론적 효과에 의해 수명이 연장되므로, 매우 짧은 수명의 핵에 관한 연구가 가능하다. 이러한 연구는 이화학연구소(리켄)의 RI 빔 팩토리 계획 등에서 진행되고 있다.참조
[1]
웹사이트
Spallation Target | Paul Scherrer Institut (PSI)
http://www.psi.ch/bs[...]
2015-12-12
[2]
논문
Über die Eigenschaften der durchdringenden Korpuskularstrahlung im Meeresniveau
[3]
논문
Neutron Sources for ADS
http://pdfs.semantic[...]
Czech Technical University in Prague
2019-10-20
[4]
논문
A Route to the Brightest Possible Neutron Source?
2007-02
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