우리나라가 ‘파쇄 중성자원 표적개발 국제 공동연구’를 성공적으로 수행, 원자로가 아닌 양성자가속기를 이용해서 중성자를 대량 생산해내는 기술 개발에 성공했다. 이로써 초전도체나 고속로 재료 등 물성연구와 동위원소 생산 등 차세대 신기술 개발의 기반을 마련했다.

한국원자력연구소(소장 박창규)는 21세기프론티어연구개발사업의 일환으로 추진중인 양성자기반공학기술개발사업의 ‘파쇄 중성자원(Spallation Neutron Source)‘ 개발 및 원자력중장기연구개발사업의 일환으로 추진중인 ‘가속기 구동 시스템(ADS, Accelerator Driven System)' 기초연구를 위해 참여해온 ’파쇄 중성자원 표적개발 국제공동연구(MEGAPIE; Megawatt Pilot Experiment)’에서 지난해 12월 메가와트(MW)급 파쇄 중성자원 표적개발을 위한 1단계 조사실험에 성공했다고 밝혔다.

스위스 국립 폴슈러연구소(PSI)의 양성자가속기 SINQ를 이용하여 진행된 이번 공동연구에서 우리나라를 포함한 7개국 연구진은 빛의 속도로 가속한 양성자를 중성자 생산용 액체 금속(납-비스무스) 표적(LBE; Liquid lead-bismuth eutectic)에 충돌시켜 중성자를 대량 생산해내는데 성공했다. 양성자가속기를 이용한 중성자의 대량생산은 빠르게 가속된 양성자를 납 등 특정한 물질에 충돌시켜 원소의 원자핵을 깨뜨림으로써 중성자를 대량으로 만들어내는 것으로, 이렇게 생산한 파쇄중성자는 원자로에서 생산하는 중성자보다 저렴한 반면 에너지와 밀도는 훨씬 높아 재료 물성연구, 생명과학 연구 등에 다양하게 활용할 수 있다.

중성자 생산을 위한 표적 물질로 고체 대신 액체금속을 사용하면 효율성을 대폭 끌어올릴 수 있지만 재료, 열수력, 중성자, 방사화생성물 등 관련 문제점을 극복하지 못해 그동안 학술적인 가능성만 타진되어 왔다. 따라서 관련 기술을 확보하기 위해 우리나라와 일본(JAEA) 미국(DOE) 스위스(PSI) 프랑스(CEA, CNRS) 독일(FZK) 이탈리아(ENEA) 벨기에(SCK, CEN) 등 8개국 연구기관이 공동연구를 시작하여 ▲2002년 12월 액체 금속 표적에 대한 공학적 설계 완료를 시작으로 ▲2005년 6월에는 시험장치 설계 및 제작을 완료했고 ▲2006년 8월부터는 가속기를 구동하여 표적으로부터 중성자 생산을 시작하여 ▲2006년 12월 성공적으로 시험을 완료하였다. 한국원자력연구소는 2001년 12월부터 6년간 총 58만 달러(약 5억4,000만원)의 연구비와 전문 연구인력을 투입하여 이번 공동연구에 참여하였다.

이번 실험에서는 95% 효율로 안정적인 중성자 생산 성능을 확인하였으며 초당 1017개의 중성자를 대량으로 생산할 수 있는 액체 금속 표적 제작과 운영에 성공을 거두었다. 이번 실험에 사용된 액체 금속 표적은 연구에 참여한 각국에 분배되어 2009년부터 조사 후 굳은 액체 표적의 분석을 약 2년에 걸쳐 수행하게 된다.

이번 실험은 고에너지 대용량 양성자 가속기의 주요 이용분야중 하나인 중성자의 생산과 이를 이용한 물성연구에 필수적인 중성자 생산용 표적개발을 위한 것으로 중성자를 활용한 차세대 신기술 개발에 필수적인 장치이다. 우리나라는 경주시에 2012년까지 100MeV 20mA급 규모의 대용량 선형 양성자가속기를 건설할 예정으로, 이번 실험에 참여하여 얻은 결과로 향후 파쇄 중성자원을 생산할 수 있는 핵심기술을 확보하게 되었다. 이는 재료 물성연구 및 생명과학 연구, 동위원소 생산 및 핵융합 재료 조사시험, 고속로 재료연구 등 NT, BT, IT, ST, ET, 의료 각 분야의 미래 원천기술 개발에 보다 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

파쇄 중성자원 설명자료

□ 파쇄 중성자원(Spallation Neutron Source)이란?

중성자란 원자핵을 이루는 소립자의 하나로 전하가 없는 중성입자이다. 중성자를 얻는 대표적인 방법으로는 원자로를 이용하는 것과 가속기를 이용하는 것이 있다. 가속기를 이용하여 중성자를 만들어내는 방식을 파쇄 중성자원이라고 부른다. 핵파쇄 반응은 양성자와 같은 입자를 에너지가 100 MeV~수 GeV가 되도록 가속한 뒤 표적과 충돌시키면, 표적을 구성하는 원자핵이 부서지면서 고속 중성자를 포함한 다양한 입자들이 방출되는 현상을 말한다.

□ 원자로 생산 중성자원와 양성자가속기 파쇄 중성자원의 차이

원자로를 이용한 중성자원
: 수~수십 MW의 열출력을 갖는 원자로에서 핵분열 연쇄반응을 통해 중성자를 생성하는 방법이다. 중성자가 각종 물성연구에 유용하게 활용되려면 중성자 선속(flux)을 높일 필요가 있는데, 원자로에서 얻을 수 있는 중성자의 선속은 약 neutrons/cm²s로 상대적으로 낮다. 또한 원자로에서는 연속적인 중성자 빔이 얻어지는데, 처리 방법에 따라 낮은 에너지의 중성자와 높은 에너지의 중성자를 동시에 얻을 수 있다는 점이 특징이다.

양성자 가속기를 이용한 파쇄 중성자원
: 가속기를 통해 빔 전류가 수십 mA 정도인 양성자 빔의 에너지를 1 Gev 정도로 가속시킨 뒤 표적과 충돌시키면 다량의 중성자가 방출된다. 이 때 중성자 선속은 원자로에서 얻는 중성자보다 10~100배 크다. 이렇게 얻어진 고에너지, 고밀도의 중성자를 사용하면 재료의 물성연구, 생명과학 연구 등을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 고속로 재료연구, 핵융합재료 조사시험도 짧은 시간 내에 할 수 있게 된다. 또한 펄스화된 양성자 빔을 이용하면, 손쉽게 에너지가 일정한 펄스화된 중성자 빔을 얻을 수 있다는 특징이 있다.

□ 파쇄 중성자원 응용분야

파쇄 중성자원은 상대적으로 저렴하게 중성자를 대량생산할 수 있으며, 아래와 같이 다양한 분야에서 이용 가능한 원료를 제공할 수 있다.

- 동위원소 생산: 파쇄 중성자원을 사용하여 새로운 동위원소를 생산, 이용할 수 있다.
- 중성자 분광학(neutron spectroscopy): 중성자 산란을 이용하여 물질의 구조나 성질 등을 보다 자세히 연구한다. 중성자는 매우 짧은 파장과 스핀, 자기 모멘트 등을 가지고 있으므로 원자의 구조나, 다양한 형태의 물질의 구조나 성질을 연구하는데 유용한 도구가 된다. 검출장치(detector)를 사용하여 산란된 중성자의 개수 및 에너지와 산란각을 측정한 정보를 이용하여 액정, 초전도체, 단백질, 플라스틱과 같은 다양한 물질의 구조를 재구성함으로써 그 성질을 연구할 수 있다.