¿ ?ù o Þ¶ ¥ m Ö « t V R Ëø m É 8 ý þ u § כ 6 ì Å ö n Ú= k; c 6 X ¢ W _ Ë] § Ä Z ØV Ä

(1)

{

¿ ?ù o Þ¶ ¥ m Ö « t V R Ëø m É 8 ý þ u § כ 6 ì Å ö n Ú= k; c 6 X ¢ W _ Ë] § Ä Z ØV Ä

T

¹* å · ¡® £r ) · z û BV

Ö

¦ í ß @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Ö ¦ í ß 680-749

T

r )) o

Ö

¦ í ß @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Ö ¦ í ß 680-749

í ½ Ó5 Å q l ½ ¨ è í ½ Ó/ B N õ @ / < Æ §, í ½ Ó 790-784

(2011¸ 3 Z 4 7{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 5 Z 4 24{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 8 Z 4 23{ 9 > F S X & ñ )

Ù þ

Ö 6 x ½ + Ë ì ø Í6 £ x _ D-Dì ø Í6 £ x õ D-Tì ø Í6 £ x \ " f Ò q t$ í ÷ & H 2.45 MeV × æ$ í , 14.06 MeV × æ$ í ü < 3.02 MeV ª $ í ü < e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ ü <_ ì ø Í6 £ x` ¦ í ß ¸ # ì r$ 3 % i . 7 H _ \ ¦ Ð ï× ¼ PHITS (Particle and Heavy-Ion Transport code System)\ ¦ s 6 x # Graphite/Cu/SS316L Ð ½ ¨$ í ) a @ /

Ó ü t ^ _ U ·s \ É r | 9 & h \ -t ü < < H © & ñ ¸(dpa)\ ¦ ì r$ 3 % i ¦, Ä »^ 1 l x% i < Æ ì r$ 3 á Ô ÐÕ ªÏ þ ANSYS-CFX\ ¦ s 6 x # \ P & h ì r í : £ ¤$ í ` ¦ ì r$ 3 % i . ì r$ 3 õ y { 9 _ ì ø Í6 £ x[ þ t` ¦ ¦ 9ô Ç ½ ¨ ¸ F

_ : £ ¤$ í \ É r < H © & ñ ¸(dpa) H graphite 0.47 dpa/FPYs ¦, Cu H 3.53 dpa/FPY s 9, SS316L

H 2.62 dpa/FPY s . | 9 & h \ -t > í ß õ H 14.06 MeV × æ$ í 2.45 MeV × æ$ í Ð 4C Z }

>

¨ î ÷ &% 3 . ¢ ¸ô Ç 2.45 MeV × æ$ í ü < 14.06 MeV × æ$ í \ _ ô Ç | 9 & h \ -t \ ¦ \ P " é ¶ Ü ¼ Ð s 6 x

#

@ / Ó ü t ^ _ U ·s \ É r \ P ì r í : £ ¤$ í ` ¦ ì r$ 3 ô Ç õ 300s 1 l x î ß \ P " é ¶` ¦ ¸ ô Ç â Ä º : r ¸ © 5 p x; ¤ s

140

^◦

C s Ð F « Ñ : £ ¤$ í o\ % ò ¾ Ós & h 6 £ §` ¦ S X ½ + É Ã º e .

Ù þ

d # Q: e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ , 0 Aí ß ê ø Íé ß & h , 7 H _ \ ¦ Ð ï× ¼

Analysis on the Effect of Nuclear Fusion Reaction Products in a Plasma Facing Material

Bo-Young Lee · Joo-Hee Oh ^∗ · Seung-Kook Ko

Department of Physics, University of Ulsan, Ulsan 680-749

Hee-Seock Lee

Department of Physics, University of Ulsan, Ulsan 680-749 Pohang Accelerator Laboratory, POSTECH, Pohang 790-784 (Received 7 March 2011 : revised 24 May 2011 : accepted 23 August 2011)

The effect of nuclear fusion, D-D and D-T, reaction products, such as 2.45 MeV and 14.06 MeV neutrons and 3.05 MeV protons with a PFC (plasma facing component) are analyzed by using simulations. The deposit energy and dpa(displacement per atom) according to the depth of the graphite/Cu/SS316L PFC are simulated by using the Monte Carlo PHITS code, and the heat load is analyzed by using the ANSYS-CFX code. The dpa in a full power year is found to be 0.47 dpa/FPY for graphite, 3.53 dpa/FPY for Cu and 2.62 dpa/FPY for SS316L. The distribution of the energy deposited by 14.06 MeV neutrons is 4 times higher than that deposited by 2.45 MeV

-893-

(2)

neutrons. The characteristics of the heat deposited by 2.45 MeV and 14.06 MeV neutron sources was simulated, and the temperature profile increased by less than 140

^◦

C for a 300sec irradiation.

PACS numbers: 52.40.Hf

Keywords: Plasma facing component, Displacement cross section, Monte Carlo code

I. " e Â ] Ø

&

³F [ j> â ] j_ × æ כ ¹ô Ç ' a d × æ _ H ¨ 8 â ¸% i s

\ O

Ü ¼ " f t 5 Å q& h Ü ¼ Ð / B N/ å L 0 p x ô Ç \ -t " é ¶ _ S X Ðs .

s

\ Ï ã ÎF G& h Ü ¼ Ð ] jr ÷ & ¦ e H \ -t " é ¶ É r Ù þ Ö 6 x ½ + Ë\ - t

s ¦, Ù þ Ö 6 x ½ + Ë_ z ´ & ³` ¦ 0 A # [ j> & h a ?§ 4 ½ ¨

s À Ò# Qt ¦ e Ü ¼ 9, ² D G ? /\ " f H KSTAR(Korea Su- per Conducting Tokamak Advanced Research), ² D G ] j& h Ü

¼ Ð H ITER(International Thermonuclear Experimen- tal Research) ü < ° ú É r r + « > Ð ½ ¨÷ & ¦ e [1].

Ù þ

Ö 6 x ½ + Ë © u H ¦ : r _ e ¦ Ý ¼ \ ¦ ¿ º# Q Ù ¼ Ð e

¦ Ý ¼ ü < f ] X @ / H Â Òì r \ @ /ô Ç ½ ¨ 9 Ã º

&

h s . Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u _ e ¦ Ý ¼ ü < f ] X @ / H Â Ò ì

r(Plasma Facing Component; PFC) É r ß ¼> first wallõ e

¦ Ý ¼ _ \ P Â Ò \ ¦ ] j H n ! Q' Õ ªo ¦ ¦ : r _ e ¦

Ý ¼ / B N6 x l \ f ] X Â Òv 9 u t · ú § ¸2 ¤ H o p '

Ð ½ ¨$ í ) a . e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ ü < e ¦ Ý ¼ ü <_ ©

ñ 6 x` ¦ : x K 6 xÖ 6 x, 5 p x o, g Ë >d , Û ¼( ' a A` ¦ ` ¦ â Ä º î

ß & ñ ) a Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u _ î r6 x \ ë H ] j µ 1 ÏÒ q t > ) a . ¢ ¸ ô

Ç Ù þ Ö 6 x ½ + Ëõ & ñ \ " f µ 1 ÏÒ q t H ¦\ -t _ × æ$ í \ _ ô Ç F

« Ñ_ < H © ¸ µ 1 ÏÒ q t > ) a [2]. & ³F y 7 á x Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u

\

G 6 x ÷ & ¦ e H e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ H Steinless steel, Ni alloy, Cu, CFC(Carbon-fibre composite) 1 p x` ¦ ½ ¨ ¸^

Ð # Be, B, C, W1 p x _ Ó ü t| 9 ` ¦ ïh Aô Ç F | 9 Ð ½ ¨$ í ÷ &

#

Q e . Õ ª Q Õ ª $ í 0 p x s ¢ - a > 7 £ x ) a Ã ºï r s m

9 D h Ðî r F | 9 õ ½ ¨ ¸ כ ¹½ ¨÷ & ¦ e . s \ Ó ü t

| 9

õ F | 9 [ þ t s z ´] j Ù þ Ö 6 x ½ + Ë Ð_ î r © S ! õ 1 l x{ 9 ô Ç ¨ 8

â

\ " f # Q* ô Ç : £ ¤$ í o\ ¦ H \ @ /ô Ç ½ ¨ H î ß & ñ

)

a Ù þ Ö 6 x ½ + Ë Ð î r6 x` ¦ 0 AK 9 Ã º& h s Ù ¼ Ð s \ ' a ô Ç ½ ¨

>

hµ 1 Ïs 9 כ ¹ .

² D

G ? /\ " f î r × æ KSTAR_ e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ H ß

¼> inner limiter, divertor, passive plate Ð ½ ¨$ í ÷ &# Q e Ü

¼ 9, Õ ª % i ½ + É É r ¾ ú _ / B N6 x l , in-vessel ï{ 9 , cryo- pump 1 p x _ © u \ ¦ ¦ : r _ e ¦ Ý ¼ ÐÂ Ò' Ð ñ H כ s

. KSTAR\ ¦ 300 í 1 l x î ß î r l 0 AK " f H & ³F s 6

x × æ ò ø Í èF | 9 _ { 9 ÷ r m e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^

\

¦ s 6 x ô Ç ³ ð F « Ñ(armor tile)_ \ P Â Ò ¨ î ü < s \

É r \ P Ã º§ 4 K $ 3 x 9 ¦\ -t { 9 c \ _ ô Ç Ó ü t$ í o,

∗

E-mail: [email protected]

\ P

o 1 p x _ z ´+ « > « Ñü < í ß ¸ « Ñ_ » ¡ ¤& h s 9 כ ¹ [3].

e

¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ H e ¦ Ý ¼ ü < f ] X ] X 8 ú ¤ H Â Òì r s

Ù ¼ Ð Z } É r ? /\ P $ í ` ¦ 4 R ½ + É ÷ r m µ 1 ÏÒ q tô Ç \ P ` ¦

^

¦Ï ( ¶ 1 p x \ ´ òõ & h Ü ¼ Ð ² ú K Ù ¼ Ð Z } É r \ P ¸

¸\ ¦ 4 R ô Ç . ¢ ¸ Z } É r × æ$ í 5 Å q \ " f ¸ : £ ¤$ í $

± ú Ù ¼ Ð F « Ñ> hµ 1 Ï\ # Q 9¹ ¡ §` ¦ ¦ e . & ³ F

í ¦ : r \ " f ¸ | v 9 Ã º e H ¦\ P ¸ ¸ èF Ð" f W, Be, CFC 1 p x s ¦ 9÷ & ¦ e . CFCü < ° ú É r ò ø Í è4 ¤ ½ + ËF

«

Ñ H ± ú É r " é ¶ ñ\ ¦ ° ú ¦ e Ü ¼ 9 \ P Ø æ \ y © t ë ß Ã

º èü < ½ + Ë l ~ 1 ¦ o < Æ& h Ü ¼ Ð Û ¼( ' a As ¸ ú { 9 # Q

H é ß & h s e . Be É r Ã º èü < ½ + Ë§ 4 s ± ú Ü ¼ 9 Û ¼( '

÷ &# Q ¸ D-Tì ø Í6 £ x _ \ -t \ ¦ & h > N S f H © & h s e t

ë ß Ö 6 x& h s ± ú É r ' a > Ð n ! Q' F « Ñ Ð" f H & h ½ + Ë t

· ú

§ . W É r Z } É r Ö 6 x& h ` ¦ ° ú ¦ e Ü ¼ 9 Û ¼( ' a As ¸ ú { 9

#

Q t · ú § ¦ Ã º èü < ½ + Ë§ 4 ¸ ± ú Ü ¼Ù ¼ Ð n ! Q' F « Ñ Ð

"

f © Ä »§ 4 ô Ç Ó ü t| 9 Ð g 1 L y ¦ e . ´ òÖ ¦& h Ù þ Ö 6 x ½ + Ë6 x F

« Ñ_ > hµ 1 Ï` ¦ 0 AK , Ù þ Ö 6 x ½ + Ë Ð ¨ 8 â õ Ä » ô Ç ¸ r [ O

`

¦ ° ú Æ Ò# Q H 1 l x r \ í ß ¸ \ ¦ s 6 x # ¸ \ _ ô

Ç 0 A_ µ 1 ÏÒ q t, » ¡ ¤& h ) a 0 A\ _ ô Ç p r & h < Ê Õ ªo

¦ s Ð ô Ç l > & h : £ ¤$ í o 1 p x _ > í ß õ 9 כ ¹

.

II. ¹ Å m{ ¢

1. ø m É ø m É ; c Â \ ¥ 6 ì Å ö n Ú= k8 ý ¹ Å m{ ¢

@

/³ ð& h Ù þ Ö 6 x ½ + Ëì ø Í6 £ x É r × æ Ã º è(D)-× æ Ã º è(D), × æ Ã º

è(D)- × æ Ã º è(T) ì ø Í6 £ x s 9, ì ø Í6 £ xd É r 6 £ § õ ° ú .

D + D → He

³

(0.82 MeV) + n(2.45 MeV) D + D → T (1.01 MeV) + p(3.02 MeV) (1)

D + T → He

⁴

(3.50 MeV) + n(14.06 MeV) (2)

KSTAR \ " f H ¿ º Ù þ Ö 6 x ½ + Ë ì ø Í6 £ x × æ D-D ì ø Í6 £ x` ¦ z ´+ « >

t ë ß , ì ø Í6 £ xd \ " f Ð1 p w s D-D ì ø Í6 £ x _ í ß Ó ü t Ð" f Ò q t$ í

÷

& H T ü < D Ø æ[ t # s & h Ü ¼ Ð D-T Ù þ Ö 6 x ½ + Ëì ø Í6 £ x s

Ä »µ 1 Ï ) a . " f ¿ º Ù þ Ö 6 x ½ + Ë ì ø Í6 £ x \ " f Ò q t$ í ÷ & H 2.45

MeV × æ$ í , 14.06 MeV × æ$ í ü < 3.02 MeV ª $ í \

(3)

Table 1. Compositions of PFC applied for PHITS Code [7,8].

Composition Material Density

Element/ Weight [g/cm

³

]

Nuclear Data Library. fraction [%]

C 1.82 C 100.00

Cu 8.96 Cu 100.00

Cr 17.20

Mn 1.60

SS316L 8.0 Ni 10.90

Mo 2.10

C 0.02

Fe 68.18

Fig. 1. (Color online) Schematic view of the simulation model.

_

ô Ç e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ ì ø Í6 £ x: £ ¤$ í ` ¦ ì r$ 3 l 0 AK " f PHITS(Particle and Heavy-Ion Transport code System)

ï× ¼\ ¦ s 6 x # > í ß % i [4].

í ß ¸ \ s 6 x ô Ç 14.06 MeV × æ$ í c É r ì ø Í â 5 cm,

@

/ Ó ü t ^ (8 × 8 × 8.4 cm) Õ ªo ¦ 2.45 MeV × æ$ í _ c

É r ì ø Í â 4 cm Ð [ O & ñ # @ / Ó ü t ^ \ { 9 % i

. Table 1\ " f H > í ß \ 6 x ) a @ / Ó ü t ^ F « Ñ_ ½ ¨$ í q

\ ¦ Í Ç x .

e

¦ Ý ¼ ´ n u _ ô Ç> M :ë H \ Â ú ª É r r ç ß 1 l x î ß ë ß µ 1 ÏÒ q t

H Ù þ Ö 6 x ½ + Ëì ø Í6 £ x Ü ¼ Ð K × æ$ í ¢ ¸ô Ç Ã º í\ " f Ã º Ñ þ

í ? /_ ` O Û ¼+ þ AI Ð ~ ½ ÓØ ¦ ) a . × æ$ í ü < × æ Ã º è\ ¦ Ò q t

$ í

H D-D ì ø Í6 £ xÖ ¦ É r y y 50 : 50 s 9 Ò q t$ í ) a T ü < D

ì ø Í6 £ x # ~ ½ ÓØ ¦ ÷ & H 14.06 MeV × æ$ í Ò q t$ í | ¾ Ó É r 2.45 MeV × æ$ í Ò q t$ í | ¾ Ó_ 3 % & ñ ¸s [5].

×

æ$ í \ _ ô Ç ¸ < H © ¨ î \ ¦ 0 AK > í ß ô Ç dpa(displacement per atom) H × æ$ í Û ¼& 7 à Ô! 3 õ í ß ê ø Í é

ß & h \ _ # & ñ ) a . × æ$ í \ _ ô Ç â Ä º dpa H

Fig. 2. (Color online) Distribution of total dpa in Graphite, Cu and SS316L model by (a) 2.45 MeV neu- trons and (b) 14.06 MeV neutrons.

6 £ § õ ° ú s > í ß ) a .

dpa = Z

σ

_DX

(E) · φ(E)t · dE (3)

#

l " f φ H × æ$ í 5 Å q s 9, t H × æ$ í _ ¸ r ç ß , σ

DX

H × æ$ í _ \ -t \ É r 0 Aé ß & h (displace- ment cross section) s [6].

8 ú x dpa ì r í ° ú כ É r × æ$ í _ ò ø Í$ í í ß ê ø Í, q ò ø Í$ í í ß ê ø Í, { 9

5 Å x Õ ªo ¦ Ò q t$ í ) a Ù þ 7 á x, × æ Ã º èü < × æ Ã º è Õ ªo ¦

3

He,

⁴

He\ ¦ ¸¿ º ¦ 9 % i . ¢ ¸ô Ç × æ$ í \ _ ô Ç @ / F

« Ñ_ \ P Â Ò ì r í ì r$ 3 r \ P " é ¶ Ü ¼ Ð æ ¼l 0 A # 2.45 MeV, 14.06 MeV × æ$ í \ @ /ô Ç | 9 & h \ -t \ ¦ > í ß % i

.

2. 6 ì Å ö n Ú= k8 ý ° Ç ¼ ù m ÉX ì ÄS ë s Ä Z ØV Ä

(4)

Fig. 3. (Color online) Distribution of dpa by 2.45 MeV neutrons with (a) Elastic scattering, (b) Nuclide prod- ucts, (c) Inelastic scattering, (d) Transport charged par- ticle.

@

/ Ó ü t ^ _ \ P ì r í\ ¦ ì r$ 3 l 0 AK " f í ß Ä »^ K $ 3

ï× ¼ ANSYS CFX [9]\ ¦ s 6 x % i . > í ß \ s 6 x ) a

Fig. 4. (Color online) Distribution of dpa by 14.06 MeV neutrons with (a) Deutron, (b) Tritium (c)

³

He (d)

⁴

He.

@

/ Ó ü t ^ _ â Ä º Graphite/Cu/SS316L F « Ñ ] X ½ + Ë÷ &# Q e

H כ Ü ¼ Ð" f F « Ñü < F « Ñ s \ " f [ jx 9 ô Ç : r ¸ o

(5)

Table 2. Number and size of meshing element.

region number of element size of element (mm) Graphite 34,905 (2.5×2.5×0.5) solid Cu 34,905 (2.5×2.5×1.3) SS316L 68,445 (2.5×2.5×1.2)

± ú 0 p x$ í ` ¦ ¦ 9 # כ ¹ è ì r ½ + É ç ß ` ¦ ¸x 9 >

è H õ Table 2ü < ° ú .

D-D ì ø Í6 £ x \ _ K Ò q t$ í ÷ & H 2.45 MeV × æ$ í ü < D-Tì ø Í 6

£

x \ _ K Ò q t$ í ÷ & H 14.06 MeV × æ$ í \ _ ô Ç | 9 & h \ - t

\ ¦ @ / Ó ü t ^ \ ¸ H \ P " é ¶ Ü ¼ Ð s 6 x % i . | 9 & h

\

-t \ ¦ ANSYS-CFX ï× ¼\ \ P " é ¶ Ü ¼ Ð { 9 § 4 l 0 A

#

Ø ¦§ 4 x 9 ¸ Ð ¨ 8 % i ¦, ¨ 8 õ & ñ \ 9 כ ¹ô Ç neutron wall loading (0.78 MW/m

²

) [10] ° ú כ É r ITER l ï r` ¦

| Ã

ÛÜ ¼ 9, × æ$ í 5 Å q É r 3.5 × 10

¹³

neutron/cm

²

·sec s .

14.06 MeV × æ$ í ü < 2.45MeV × æ$ í _ | 9 & h \ -t \ _

ô Ç \ P " é ¶` ¦ 300s 1 l x î ß @ / Ó ü t ^ \ ¸ # U ·s \

É

r \ P Â Ò ì r í\ ¦ S X % i .

III. ¹ Å m{ ¢ + s ÇÊ Ý

1. ø m É ø m É ; c Â \ ¥ 6 ì Å< 0z »8 ý dpaÑ ÷ ú n ÞV R Ë Ò Å

Ò

×

Ù þ

Ö 6 x ½ + Ë ì ø Í6 £ x \ _ K Ò q t$ í ) a 2.45 MeV, 14.06 MeV × æ

$ í

ü < 3.02 MeV ª $ í \ @ /ô Ç @ / Ó ü t ^ _ dpa > í ß

õ × æ$ í \ _ ô Ç dpa H @ / Ó ü t ^ ^ & h Ü ¼ Ð % ò ¾ Ó` ¦ Å

Ò H X < ì ø ÍK ª $ í \ _ ô Ç dpa H ª $ í _ Â ú ª É r q & ñ

\

_ K @ / Ó ü t ^ _ ³ ð \ ë ß % ò ¾ Ó` ¦ Å Ò% 3 . 1 l x{ 9 ô Ç @ /

Ó ü t ^ \ 2.45 MeV, 14.06 MeV_ × æ$ í \ ¦ y y ¸ ô

r í H Fig. 2 ü < ° ú Ü ¼ 9, 14.06 MeV × æ$ í \ _ ô Ç 8 ú x dpa ì r í ° ú כs 2.45 MeV × æ$ í \ _ ô Ç 8 ú x dpa ì r í Ð

10C & ñ ¸ % ò ¾ Ó§ 4 s H כ Ü ¼ Ð S X ÷ &% 3 .

×

æ$ í 5 Å q 3.5 × 10

¹³

neutron/cm

²

·sec` ¦ s 6 x # dpa

° ú

כ` ¦ ì r$ 3 ô Ç õ 1¸ ç ß t 5 Å q K " f þ j@ /Ø ¦§ 4 Ü ¼ Ð î r ½ + É

â

Ä º graphite H 0.47 dpa/FPY s ¦, Cu H 3.53 dpa/FPY s

9, SS316L H 2.62 dpa/FPY s . # l " f FPY H full power year s . Õ ªo ¦ 14.06 MeV_ â Ä º 2.45 MeV × æ

$ í

\ _ ô Ç ì ø Í6 £ x õ 1 l x{ 9 ô Ç ì ø Í6 £ x s " f Õ ª ü @ × æ Ã

º èü < × æ Ã º è Õ ªo ¦

³

He,

⁴

He { 9 \ É r dpa ì r í

¸ z ¤Ü ¼ 9 Õ ª õ H Fig. 3, 4 ü < ° ú .

2.45 MeV, 14.06 MeV × æ$ í \ @ /ô Ç @ / Ó ü t ^ ? / | 9

&

h \ -t > í ß õ 14.06 MeV × æ$ í _ â Ä º @ / Ó ü t ^

Fig. 5. (Color online) Distribution of deposit energy by 2.45 MeV and 14.06 MeV neutrons.

Fig. 6. (Color online) Distribution of heat load by 300s irradiated by power density of 2.45 MeV neutrons.

ü

<_ Ù þ ì ø Í6 £ x \ " f 2.45 MeV × æ$ í Ð q & ñ s Â ú ª É r

{ 9 8 ´ ú §s Ò q t$ í s ÷ &l M :ë H \ 4 C & ñ ¸ | 9 & h ÷ &

H \ -t ´ ú § ¤Ü ¼ 9, Õ ª õ H Fig. 5 ü < ° ú .

2. 6 ì Å ö n Ú= k8 ý ° Ç ¼ ù m ÉX ì ÄS ë s Ä Z ØV Ä + s ÇÊ Ý

D-D ì ø Í6 £ x \ _ K Ò q t$ í ÷ & H 2.45 MeV × æ$ í \ _ ô Ç | 9

&

h \ -t \ ¦ \ P " é ¶ Ü ¼ Ð s 6 x # 300s 1 l x î ß ¸ Ù þ ¡` ¦ M : þ j

èü < þ j@ / : r ¸ s H 32

^◦

C s ¦ õ H Fig. 6 õ ° ú .

D-T ì ø Í6 £ x \ _ K Ò q t$ í ÷ & H 14.06 MeV × æ$ í \ _ ô Ç | 9

&

h \ -t \ ¦ \ P " é ¶ Ü ¼ Ð s 6 x # 300s 1 l x î ß Ù þ ¡` ¦ M :,

(6)

Fig. 7. (Color online) Distribution of heat load by 300s irradiated by power density of 14.06 MeV neutrons.

þ

j èü < þ j@ / : r ¸ s H 139

^◦

C s ¦ Õ ª õ H Fig. 7 õ

° ú .

IV. + s Ç Â ] Ø

Ù þ

Ö 6 x ½ + Ë ì ø Í6 £ x _ D-Dì ø Í6 £ x õ D-Tì ø Í6 £ x \ " f Ò q t$ í ÷ & H 2.45 MeV × æ$ í , 14.06 MeV × æ$ í ü < 3.02 MeV ª $ í ü

< e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ ü <_ ì ø Í6 £ x` ¦ í ß ¸ # ì r$ 3

%

i . @ / Ó ü t ^ \ @ /ô Ç dpa ì r$ 3 õ × æ$ í 5 Å q s 3.5 × 10

¹³

neutron/cm

²

·sec{ 9 M : graphite H 0.47 dpa/FPY s

¦, Cu H 3.53 dpa/FPY s 9, SS316L H 2.62 dpa/FPY s

. 2.45 MeV, 14.06 MeV × æ$ í \ @ /ô Ç | 9 & h \ -t :

£ ¤$ í > í ß õ 14.06 MeV × æ$ í 2.45 MeV × æ$ í

Ð 4 C & ñ ¸ | 9 & h ÷ & H \ -t ´ ú § ¤ . 2.45 MeV, 14.06 MeV × æ$ í \ _ K í| 9 ) a \ -t \ ¦ \ P " é ¶ Ü ¼ Ð s 6

x # @ / Ó ü t ^ _ U ·s \ É r \ P ì r í : £ ¤$ í ` ¦ ì r$ 3 ô Ç

^◦

C s Ð F

« Ñ : £ ¤$ í o\ % ò ¾ Ós & h 6 £ §` ¦ S X ½ + É Ã º e .

P

c p 8 ý ò k >

: r 7 Hë H É r §¹ ¢ ¤ õ < Æl Õ ü t Â Ò_ F " é ¶ Ü ¼ Ð @ / < Æ× æd Ù þ Ö 6 x

½

+ Ël í ½ ¨ x 9 § 4 ª $ í t " é ¶ \ O (2010-0915)\ _ # Ã

º' ) a ½ ¨e .

Y

c p w Ã U Ø ô

[1] D. W. Lee et al., HHF Test with 80 × 80 × 1 Be/Cu/SS Mock-ups for Verifying the Joining Tech- nology of the ITER Blanket First Wall, KAERI/TR- 3606 (2008).

[2] R. L. Llueh, Effect of Neutron Irradiation on Prop- erties of Steels, ASM Handbook (2002).

[3] S. J. Oh et al., Physics & High Technology, March 34 (2008).

[4] H. Iwase, K. Niita, T. Nakamura, Development of General-Purpose Particle and Heavy Ion Transport Monte Carlo Code, J. Nucl. Sci. Technol 39, 1142 (2002).

[5] K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics (John Wiley, New York, 1998).

[6] M. Harada et al., J. Nucl. Mater. 343, 197 (2005).

[7] S. Sandri et al., 21st IEEE Particle Accelerator Con- ference (Knoxville, TN, 2005), p. 1192.

[8] X. Lin and T. M. Yue, Mater. Sci. Eng. A 402, 294 (2005).

[9] Ansys Ltd., Ansys CFX-Solver, Release 10.0 : The- ory. Canonsburg. (2005).

[10] M. Abdou, D.-K. Sze, C. Wong, M. Sawan, A. Ying, N. B. Morley and S. Malang, Fusion Sci. Technol.

47, 475 (2005).

¿ ?ù o Þ¶  ¥   m  Ö « t V R Ëø m É 8 ý þ u § כ  6 ì Å ö n Ú= k; c 6  X ¢ W _ Ë]  § Ä Z ØV Ä

{

¿ ?ù o Þ¶  ¥   m  Ö « t  V R Ëø m É 8 ý þ u § כ   6 ì Å ö n Ú= k; c 6  X ¢ W _ Ë]  § Ä Z ØV Ä

T

 ¹* å  ·  ¡® £r ) · z  û BV  

Ö 

¦ í ß @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , Ö  ¦ í ß  680-749

T

r )) o 

Ö 

¦ í ß @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , Ö  ¦ í ß  680-749



í ½ Ó5 Å q l   ½ ¨ è  í ½ Ó/ B N õ @ / < Æ §,  í ½ Ó 790-784

(2011¸  3 Z 4 7{ 9  ~ Ã Î6 £ §, 2011¸  5 Z 4 24{ 9  Ã º& ñ  : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸  8 Z 4 23{ 9  > F  S X & ñ )

Ù þ



_  : £ ¤$ í \    É r  < H  © & ñ  ¸(dpa)  H graphite  0.47 dpa/FPYs  ¦, Cu  H 3.53 dpa/FPY s  9, SS316L

 

H 2.62 dpa/FPY s  . | 9 & h \  -t  > í ß   õ   H 14.06 MeV ×  æ$ í   2.45 MeV ×  æ$ í   Ð  4C  Z  }

>

 ¨ î ÷ &% 3  . ¢ ¸ô  Ç 2.45 MeV ×  æ$ í  ü < 14.06 MeV ×  æ$ í  \  _ ô  Ç | 9 & h \  -t \  ¦ \ P " é ¶ Ü ¼ Ð s 6 x 

#

 @ /  Ó ü t ^ _  U ·s \    É r \ P ì  r  í : £ ¤$ í `  ¦ ì  r$ 3 ô  Ç   õ  300s 1 l x î ß  \ P " é ¶`  ¦  ¸ ô  Ç  â Ä º  : r  ¸  © 5 p x;  ¤ s

 140

C s   Ð    F « Ñ : £ ¤$ í   o\  % ò  ¾ Ós  & h 6 £ §`  ¦ S X    ½ + É Ã º e   .

Ù þ

d  # Q: e  ¦ Ý ¼  @ /  Ó ü t ^ ,   0 Aí ß ê ø Íé ß   & h ,  7 H _ \  ¦  Ð ï× ¼

Analysis on the Effect of Nuclear Fusion Reaction Products in a Plasma Facing Material

Bo-Young Lee · Joo-Hee Oh ∗ · Seung-Kook Ko

Department of Physics, University of Ulsan, Ulsan 680-749

Hee-Seock Lee

Department of Physics, University of Ulsan, Ulsan 680-749 Pohang Accelerator Laboratory, POSTECH, Pohang 790-784 (Received 7 March 2011 : revised 24 May 2011 : accepted 23 August 2011)

-893-

neutrons. The characteristics of the heat deposited by 2.45 MeV and 14.06 MeV neutron sources was simulated, and the temperature profile increased by less than 140

C for a 300sec irradiation.

PACS numbers: 52.40.Hf

Keywords: Plasma facing component, Displacement cross section, Monte Carlo code

I. " e Â ] Ø



&

³F  [ j>   â ] j_  ×  æ כ ¹ô  Ç  ' a d  ×  æ _     H ¨ 8  â  ¸% i s 

\ O

Ü ¼  " f t 5 Å q& h Ü ¼ Ð / B N/ å L 0 p x ô  Ç \  -t " é ¶ _  S X   Ðs  .

s

\  Ï ã ÎF G& h Ü ¼ Ð ] jr ÷ & ¦ e    H \  -t " é ¶ É r Ù þ Ö 6 x ½ + Ë\  - t

s  ¦, Ù þ Ö 6 x ½ + Ë_  z ´ & ³`  ¦ 0 A #    [ j> & h   a  ?§ 4   ½ ¨

 s À Ò# Qt  ¦ e  Ü ¼ 9, ² D G ? /\ " f  H KSTAR(Korea Su- per Conducting Tokamak Advanced Research), ² D G ] j& h Ü

¼ Ð  H ITER(International Thermonuclear Experimen- tal Research) ü < ° ú  É r r + « > Ð   ½ ¨÷ & ¦ e    [1].

Ù þ

Ö 6 x ½ + Ë © u   H  ¦ : r _  e  ¦ Ý ¼ \  ¦ ¿ º# Q  Ù ¼ Ð e

 ¦ Ý ¼ ü < f  ] X  @ /    H Â Òì  r \  @ /ô  Ç   ½ ¨  9 Ã º

&

h s  . Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u _  e  ¦ Ý ¼ ü < f  ] X  @ /    H Â Ò ì

 r(Plasma Facing Component; PFC) É r ß ¼>  first wallõ  e

 ¦ Ý ¼ _  \ P Â Ò \  ¦ ] j    H n ! Q'  Õ ªo  ¦  ¦ : r _  e  ¦

Ý ¼    / B N6 x l \  f  ] X  Â Òv 9 u t  · ú § ¸2  ¤   H o p  '

 Ð ½ ¨$ í  ) a . e  ¦ Ý ¼  @ /  Ó ü t ^ ü < e  ¦ Ý ¼ ü <_   © 

ñ  6 x`  ¦ :  x K  6 xÖ 6 x, 5 p x o, g Ë >d  , Û ¼( ' a A`  ¦   `  ¦  â Ä º î

ß & ñ  ) a Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u _  î  r6 x \  ë  H ] j µ 1 ÏÒ q t >   ) a . ¢ ¸ ô

 Ç Ù þ Ö 6 x ½ + Ëõ & ñ \ " f µ 1 ÏÒ q t   H  ¦\  -t _  ×  æ$ í  \  _ ô  Ç F

« Ñ_   < H  ©  ¸ µ 1 ÏÒ q t >   ) a  [2].  & ³F  y  7 á x Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u 

\

 G 6 x ÷ & ¦ e    H e  ¦ Ý ¼  @ /  Ó ü t ^   H Steinless steel, Ni alloy, Cu, CFC(Carbon-fibre composite) 1 p x`  ¦ ½ ¨ ¸^ 



Ð #  Be, B, C, W1 p x _  Ó ü t| 9 `  ¦  ïh Aô  Ç F | 9  Ð ½ ¨$ í ÷ &

#

Q e   . Õ ª Q  Õ ª $ í 0 p x s  ¢ - a  >    7 £ x ) a Ã ºï  r s    m

 9 D h Ðî  r F | 9 õ  ½ ¨ ¸ כ ¹½ ¨÷ & ¦ e   . s \     Ó ü t

| 9

õ  F | 9 [ þ t s  z ´] j Ù þ Ö 6 x ½ + Ë Ð_  î  r   ©  S ! õ  1 l x{ 9 ô  Ç ¨ 8 

 â

\ " f # Q* ô  Ç : £ ¤$ í   o\  ¦     H \  @ /ô  Ç   ½ ¨  H î ß & ñ

 )

a Ù þ Ö 6 x ½ + Ë Ð î  r6 x`  ¦ 0 AK   9 Ã º& h s Ù ¼ Ð s \   ' a ô  Ç   ½ ¨

>

hµ 1 Ïs   9 כ ¹  .

² D

G ? /\ " f î  r  ×  æ  KSTAR_  e  ¦ Ý ¼  @ /  Ó ü t ^   H ß

¼>  inner limiter, divertor, passive plate Ð ½ ¨$ í ÷ &# Q e   Ü

¼ 9, Õ ª % i ½ + É É r  ¾ ú _    / B N6 x l , in-vessel  ï{ 9 , cryo- pump 1 p x _   © u \  ¦  ¦ : r _  e  ¦ Ý ¼  ÐÂ Ò'   Ð ñ   H  כ s

¿ ?ù o Þ¶ ¥ m Ö « t V R Ëø m É 8 ý þ u § כ 6 ì Å ö n Ú= k; c 6 X ¢ W _ Ë] § Ä Z ØV Ä

¿ ?ù o Þ¶ ¥ m Ö « t V R Ëø m É 8 ý þ u § כ 6 ì Å ö n Ú= k; c 6 X ¢ W _ Ë] § Ä Z ØV Ä

¹* å · ¡® £r ) · z û BV

Ö

¦ í ß @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Ö ¦ í ß 680-749

r )) o

Ö

¦ í ß @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , Ö ¦ í ß 680-749

í ½ Ó5 Å q l ½ ¨ è í ½ Ó/ B N õ @ / < Æ §, í ½ Ó 790-784

(2011¸ 3 Z 4 7{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 5 Z 4 24{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2011¸ 8 Z 4 23{ 9 > F S X & ñ )

_ : £ ¤$ í \ É r < H © & ñ ¸(dpa) H graphite 0.47 dpa/FPYs ¦, Cu H 3.53 dpa/FPY s 9, SS316L

H 2.62 dpa/FPY s . | 9 & h \ -t > í ß õ H 14.06 MeV × æ$ í 2.45 MeV × æ$ í Ð 4C Z }

¨ î ÷ &% 3 . ¢ ¸ô Ç 2.45 MeV × æ$ í ü < 14.06 MeV × æ$ í \ _ ô Ç | 9 & h \ -t \ ¦ \ P " é ¶ Ü ¼ Ð s 6 x

@ / Ó ü t ^ _ U ·s \ É r \ P ì r í : £ ¤$ í ` ¦ ì r$ 3 ô Ç õ 300s 1 l x î ß \ P " é ¶` ¦ ¸ ô Ç â Ä º : r ¸ © 5 p x; ¤ s

140

C s Ð F « Ñ : £ ¤$ í o\ % ò ¾ Ós & h 6 £ §` ¦ S X ½ + É Ã º e .

d # Q: e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ , 0 Aí ß ê ø Íé ß & h , 7 H _ \ ¦ Ð ï× ¼

Bo-Young Lee · Joo-Hee Oh ^∗ · Seung-Kook Ko

³F [ j> â ] j_ × æ כ ¹ô Ç ' a d × æ _ H ¨ 8 â ¸% i s

Ü ¼ " f t 5 Å q& h Ü ¼ Ð / B N/ å L 0 p x ô Ç \ -t " é ¶ _ S X Ðs .

\ Ï ã ÎF G& h Ü ¼ Ð ] jr ÷ & ¦ e H \ -t " é ¶ É r Ù þ Ö 6 x ½ + Ë\ - t

s ¦, Ù þ Ö 6 x ½ + Ë_ z ´ & ³` ¦ 0 A # [ j> & h a ?§ 4 ½ ¨

s À Ò# Qt ¦ e Ü ¼ 9, ² D G ? /\ " f H KSTAR(Korea Su- per Conducting Tokamak Advanced Research), ² D G ] j& h Ü

¼ Ð H ITER(International Thermonuclear Experimen- tal Research) ü < ° ú É r r + « > Ð ½ ¨÷ & ¦ e [1].

Ö 6 x ½ + Ë © u H ¦ : r _ e ¦ Ý ¼ \ ¦ ¿ º# Q Ù ¼ Ð e

¦ Ý ¼ ü < f ] X @ / H Â Òì r \ @ /ô Ç ½ ¨ 9 Ã º

h s . Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u _ e ¦ Ý ¼ ü < f ] X @ / H Â Ò ì

r(Plasma Facing Component; PFC) É r ß ¼> first wallõ e

¦ Ý ¼ _ \ P Â Ò \ ¦ ] j H n ! Q' Õ ªo ¦ ¦ : r _ e ¦

Ý ¼ / B N6 x l \ f ] X Â Òv 9 u t · ú § ¸2 ¤ H o p '

Ð ½ ¨$ í ) a . e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ ü < e ¦ Ý ¼ ü <_ ©

ñ 6 x` ¦ : x K 6 xÖ 6 x, 5 p x o, g Ë >d , Û ¼( ' a A` ¦ ` ¦ â Ä º î

ß & ñ ) a Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u _ î r6 x \ ë H ] j µ 1 ÏÒ q t > ) a . ¢ ¸ ô

Ç Ù þ Ö 6 x ½ + Ëõ & ñ \ " f µ 1 ÏÒ q t H ¦\ -t _ × æ$ í \ _ ô Ç F

« Ñ_ < H © ¸ µ 1 ÏÒ q t > ) a [2]. & ³F y 7 á x Ù þ Ö 6 x ½ + Ë © u

G 6 x ÷ & ¦ e H e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ H Steinless steel, Ni alloy, Cu, CFC(Carbon-fibre composite) 1 p x` ¦ ½ ¨ ¸^

Ð # Be, B, C, W1 p x _ Ó ü t| 9 ` ¦ ïh Aô Ç F | 9 Ð ½ ¨$ í ÷ &

Q e . Õ ª Q Õ ª $ í 0 p x s ¢ - a > 7 £ x ) a Ã ºï r s m

9 D h Ðî r F | 9 õ ½ ¨ ¸ כ ¹½ ¨÷ & ¦ e . s \ Ó ü t

õ F | 9 [ þ t s z ´] j Ù þ Ö 6 x ½ + Ë Ð_ î r © S ! õ 1 l x{ 9 ô Ç ¨ 8

â

\ " f # Q* ô Ç : £ ¤$ í o\ ¦ H \ @ /ô Ç ½ ¨ H î ß & ñ

)

a Ù þ Ö 6 x ½ + Ë Ð î r6 x` ¦ 0 AK 9 Ã º& h s Ù ¼ Ð s \ ' a ô Ç ½ ¨

hµ 1 Ïs 9 כ ¹ .

G ? /\ " f î r × æ KSTAR_ e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ H ß

¼> inner limiter, divertor, passive plate Ð ½ ¨$ í ÷ &# Q e Ü

¼ 9, Õ ª % i ½ + É É r ¾ ú _ / B N6 x l , in-vessel ï{ 9 , cryo- pump 1 p x _ © u \ ¦ ¦ : r _ e ¦ Ý ¼ ÐÂ Ò' Ð ñ H כ s

. KSTAR\ ¦ 300 í 1 l x î ß î r l 0 AK " f H & ³F s 6

x × æ ò ø Í èF | 9 _ { 9 ÷ r m e ¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^

¦ s 6 x ô Ç ³ ð F « Ñ(armor tile)_ \ P Â Ò ¨ î ü < s \

É r \ P Ã º§ 4 K $ 3 x 9 ¦\ -t { 9 c \ _ ô Ç Ó ü t$ í o,

o 1 p x _ z ´+ « > « Ñü < í ß ¸ « Ñ_ » ¡ ¤& h s 9 כ ¹ [3].

¦ Ý ¼ @ / Ó ü t ^ H e ¦ Ý ¼ ü < f ] X ] X 8 ú ¤ H Â Òì r s

Ù ¼ Ð Z } É r ? /\ P $ í ` ¦ 4 R ½ + É ÷ r m µ 1 ÏÒ q tô Ç \ P ` ¦

¦Ï ( ¶ 1 p x \ ´ òõ & h Ü ¼ Ð ² ú K Ù ¼ Ð Z } É r \ P ¸

¸\ ¦ 4 R ô Ç . ¢ ¸ Z } É r × æ$ í 5 Å q \ " f ¸ : £ ¤$ í $

± ú Ù ¼ Ð F « Ñ> hµ 1 Ï\ # Q 9¹ ¡ §` ¦ ¦ e . & ³ F

í ¦ : r \ " f ¸ | v 9 Ã º e H ¦\ P ¸ ¸ èF Ð" f W, Be, CFC 1 p x s ¦ 9÷ & ¦ e . CFCü < ° ú É r ò ø Í è4 ¤ ½ + ËF

Ñ H ± ú É r " é ¶ ñ\ ¦ ° ú ¦ e Ü ¼ 9 \ P Ø æ \ y © t ë ß Ã

º èü < ½ + Ë l ~ 1 ¦ o < Æ& h Ü ¼ Ð Û ¼( ' a As ¸ ú { 9 # Q

H é ß & h s e . Be É r Ã º èü < ½ + Ë§ 4 s ± ú Ü ¼ 9 Û ¼( '

÷ &# Q ¸ D-Tì ø Í6 £ x _ \ -t \ ¦ & h > N S f H © & h s e t

ë ß Ö 6 x& h s ± ú É r ' a > Ð n ! Q' F « Ñ Ð" f H & h ½ + Ë t

§ . W É r Z } É r Ö 6 x& h ` ¦ ° ú ¦ e Ü ¼ 9 Û ¼( ' a As ¸ ú { 9

Q t · ú § ¦ Ã º èü < ½ + Ë§ 4 ¸ ± ú Ü ¼Ù ¼ Ð n ! Q' F « Ñ Ð

f © Ä »§ 4 ô Ç Ó ü t| 9 Ð g 1 L y ¦ e . ´ òÖ ¦& h Ù þ Ö 6 x ½ + Ë6 x F

« Ñ_ > hµ 1 Ï` ¦ 0 AK , Ù þ Ö 6 x ½ + Ë Ð ¨ 8 â õ Ä » ô Ç ¸ r [ O

¦ ° ú Æ Ò# Q H 1 l x r \ í ß ¸ \ ¦ s 6 x # ¸ \ _ ô

Ç 0 A_ µ 1 ÏÒ q t, » ¡ ¤& h ) a 0 A\ _ ô Ç p r & h < Ê Õ ªo

¦ s Ð ô Ç l > & h : £ ¤$ í o 1 p x _ > í ß õ 9 כ ¹

.

II. ¹ Å m{ ¢

1. ø m É ø m É ; c Â \ ¥ 6 ì Å ö n Ú= k8 ý ¹ Å m{ ¢

/³ ð& h Ù þ Ö 6 x ½ + Ëì ø Í6 £ x É r × æ Ã º è(D)-× æ Ã º è(D), × æ Ã º

è(D)- × æ Ã º è(T) ì ø Í6 £ x s 9, ì ø Í6 £ xd É r 6 £ § õ ° ú .

KSTAR \ " f H ¿ º Ù þ Ö 6 x ½ + Ë ì ø Í6 £ x × æ D-D ì ø Í6 £ x` ¦ z ´+ « >

t ë ß , ì ø Í6 £ xd \ " f Ð1 p w s D-D ì ø Í6 £ x _ í ß Ó ü t Ð" f Ò q t$ í

& H T ü < D Ø æ[ t # s & h Ü ¼ Ð D-T Ù þ Ö 6 x ½ + Ëì ø Í6 £ x s

Ä »µ 1 Ï ) a . " f ¿ º Ù þ Ö 6 x ½ + Ë ì ø Í6 £ x \ " f Ò q t$ í ÷ & H 2.45