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중이온가속기 ‘RAON’ 전단부 초전도가속시험 성공장치구축 연구개발 탄력…오는 2021년까지 구축 청신호

중이온가속기 라온(RAON, Rare Isotope Accelerator complex for ON-line experiments)의 중이온빔 초전도가속시험에 성공했다.

기초과학연구원 중이온가속기건설구축사업단에 따르면 초전도가속시험초전도가속시험(SCL, Super Conducting LINear ACcelerator)은 가속장치의 전단부를 구성하는 전자 사이클로트론 공명(ECR, Electron Cyclotron Resonance)이온원과 고주파사중극자(RFQ, Radio-Frequency Quadrupole)가속기, 초전도가속모듈(QWR, Quarter Wave Resonator) 1기, 그리고 고주파(RF)전력시스템·제어시스템·빔진단시스템 등 제반 설비들을 통합한 시스템에서 중이온빔의 인출 여부를 확인하는 실험이다.

중이온가속기 주요구성 장치 배치도 /이미지제공=기초과학연구원 중이온가속기건설구축사업단

중이온사업단 관계자는 “초전도가속시험의 주요 목적은 개별적으로 성능시험을 마친 ECR 이온원, RFQ 상전도가속기, QWR 초전도가속기를 통합한 시스템에서의 빔가속을 수행하는 것”이라며 “중이온가속기 운전에 필요한 다양한 구성품의 성능시험을 통해 각 장치를 테스트하고 필요한 사항을 보완하는 것도 중요한 목적”이라고 설명했다.

중이온가속기건설구축사업단은 지난해 9월부터 KAIST 문지캠퍼스 시험시설에서 초전도가속시험을 수행한데 이어, ECR이온원에서 발생시킨 산소이온을 RFQ가속기와 QWR초전도가속모듈을 통해 차례로 가속해 빔에너지 700keV/u(핵자당 70만 전자볼트)의 산소 중이온빔을 인출했다.

이로써 중이온가속기 개발과정에 있어 중요한 기술 중에 하나로 꼽혀온 전단부 초전도가속시험 성공과 중이온빔 정밀제어 역량 확보를 통한 2021년 가동계획 실현의 전망을 밝혔으며, 향후 가속장치 구축을 본격화할 수 있게 됐다.

중이온가속기 조감도 /이미지제공=기초과학연구원 중이온가속기건설구축사업단

한국형 중이온가속기(Heavy Ion Accelerator) ‘라온(RAON)’은 세계 최고수준 성능(빔에너지 200MeV/u, 빔출력 400kW)을 목표로 2011년 개발에 착수했으며, 대전 신동지구에 오는 2021년 완공 예정이다.

특히 ‘라온(RAON)’은 세계 최초로 얇은 표적에 무거운 이온을 충돌시켜 다양한 종류의 희귀동위원소를 생성하는 비행파쇄방식(IF, Inflight Fragmentation)과 가벼운 이온을 두꺼운 표적에 충돌시켜 많은 양의 희귀 동위원소 생성하는 온라인 동위원소 분리방식(ISOL, Isotope Separation On-Line)을 결합한 융합형으로 구축돼 국내는 물론 전 세계 기초과학계의 핵심 인프라로 각광받을 전망이다.

과학기술통신부 관계자는 “최근 중이온가속기(어떡할래)T/F를 통해 2021년까지 사업의 성공적 구축 완료를 위한 최적의 사업추진방안을 도출했으며, 이에 이번 초전도가속시험 성공을 발판으로 세계 최고 수준 중이온가속기 라온(RAON)을 성공적으로 이끄는데 최선을 다할 것”이라고 밝혔다.

한편 가속기는 원자핵이나 소립자와 같이 작은 입자의 내부구조 등을 밝히기 위해 원자핵 또는 기본입자를 가속, 충돌시키는 장치로서 가속 입자의 종류, 원리, 활용목적에 따라 구분한다.과거에는 핵물리, 입자물리학 등 기초연구 연구수행에 주로 이용했지만 현재에는 생명과학, 의학, 핵공학, 재료공학, 나노산업, 방위산업 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

가속기 개념 /자료제공=기초과학연구원 중이온가속기건설구축사업단

또 중이온가속기는 수소보다 무거운 입자들을 이온화해 가속한 후, 가속 입자와 표적과의 충돌로 핵반응을 일으켜 다양한 희귀동위원소를 생성시키는 장치이다. 수명이 짧아 아직 발견되지 않은 동위원소인 희귀동위원소의 존재를 밝히고 그 특성을 연구해 현재 기초과학의 한계를 극복하고 새로운 활용 연구분야 창출에 기여하고 있다.

중이온가속기 원리/ 이미지제공=기초과학연구원 중이온가속기건설구축사업단

☞ECR(Electron Cyclotron Resonance)이온원=전자사이클로트론공명(Electron Cyclotron Resonance) 방법을 통하여 다양한 종류의 동위원소를 가속이 가능한 이온상태로 만들어주는 전체 가속기시스템의 출발점이다. ECR이온원은 크게 플라즈마챔버, 전자에 에너지를 공급하기 위한 RF시스템, 자기장 내에서의 전자의 운동을 위한 전자석시스템, 생성된 이온을 빔의 형태로 인출하기 위한 인출시스템 등으로 구성되어 있다.

☞고주파사중극자(Radio Frequency Quadrupole) 선형가속기=RFQ는 선형가속장치로 고주파를 인가함으로써 이온빔을 흩어지지 않도록 모아주는 빔집속(focusing) 기능, 고주파 가속장치로 가속하기 위해 빔을 번칭(bunching)하는 기능과 함께 이온빔의 에너지를 높이는 가속(acceleration) 기능이 동시에 가능한 장치이다. 일반적으로 선형가속기의 저에너지부에 설치하여 초기 가속장치로 널리 활용되고 있다.

☞1/4파형 가속관(QWR, Quater Wave Resonator)=81.25MHz 주파수를 갖는 빛의 파장은 약 4m로, 이 주파수를 사용하여 이온빔을 가속하기 위해 파장의 4만분의 1 사용하도록 설계한 약 1m 길이의 가속관으로 라온 중이온가속기에서는 저에너지 가속구간(SCL3) 앞단의 가속을 담당한다.

☞QWR 초전도가속모듈=QWR 초전도가속관과 여기에 고주파 에너지를 공급하는 커플러, 안정적인 운전을 위해 주파수를 조절하는 튜너, 액체헬륨 냉매를 순환 공급하는 저온유지장치 등으로 구성된다. 외부의 열이 내부로 전달되는 것을 방지하기 위한 열 차폐체 및 지구자기장의 영향을 막는 자기장 차폐체도 더해진다. 특히, 니오븀으로 만들어진 초전도가속관은 액체헬륨 기반 저온유지장치를 통해 절대온도 4도 또는 2도(영하 약 269℃, 271℃) 극저온으로, 그 내부는 10-9토르(torr, 기압의 단위로 표준대기압을 760토르로 정의한다) 이하의 초고진공(즉 7600억 분의 1 기압)으로 유지된다.

김소연 기자  ksy@knpnews.com

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