요 약
한국원자력연구소에서는 원자력연구개발 중·장기사업의 일환으로 1997년 7월부터 원자력산업용 다목적 양성자가속기, KOMAC (KOrea Multipurpose Accelerator Complex) 개발 프로젝트를 추진하고 있다. 이 시설은 새로운 청정 원자력에너지 생산, 원자력발전 사용후 핵연료 중 장반감기 핵종들을 단 반감기 핵종으로의 변환처리 연구, 핵자료 생산, 방사성동위원소 생산 등 21세기를 향한 새로운 원자력기술개발을 위한 기반시설로서 1 GeV, 20 mA급의 대용량 양성자가속기를 중심으로한 복합연구시설로 계획하여 추진하고 있다. 이 장치는 수십 mA급의 대전류 가속에 적합한 선형 양성자가속기로서 입사기-RFQ-CCDTL-SL 부속 가속기계로 구성되며, 특히 양성자(H+)와 H－를 가속하여 여러 실험목적에 빔을 동시에 제공할 수 있는 고유한 특성을 가지도록 설계되어 있다. 즉 H－빔을 이용하여 가속하는 도중에 100 MeV, 260 MeV 중간 단에 부분적으로 H－빔을 인출하도록 하여 산업, 의료, 국방, 기초학술연구에 이용하도록 하는 여러 목적의 이용 및 응용도 고려하여 단계적으로 장치 및 이용시설을 개발하고 있다. 또한 가속기 장치개발과 병행하여 앞단에서부터 개발되는 가속기 기술을 토대로 산업 및 의료용 가속기 이용기술개발도 추진하고 있다. 그리고 이 대형복합시설을 국가기반연구시설의 하나로서 활용하고자, 한국 가속기 및 플라즈마 연구협회에 의뢰하여 국내·외 여러 분야의 전문가그룹의 협력을 얻어 KOMAC 이용자 프로그램을 구성하고 있다.
개발 동기 및 필요성
원자력분야에 있어서 양성자 가속기는 원자력기술개발 초창기부터 핵반응 연구, 중성자 발생, 핵자료 생산, RI 생산, 원자력재료 개발 등 원자핵을 다룰 수 있는 중요한 수단으로서의 역할을 담당하여 왔다. 양성자 에너지를 수십 MeV 정도로 가속하여 핵에 입사시킬 때 양성자가 핵에 흡수되거나 일부 핵자(양성자나 중성자)들을 떼어 내기도 하는 여러 핵반응을 일으키게 된다. 이러한 핵반응을 이용하면 중성자, 양성자, Ձ 입자 및 각종 방사성 동위원소(RI, radio isotope)들을 만들 수 있다. 이때 방출되는 중성자를 이용하여 핵반응 단면적을 측정하여 원자로 설계에 요구되는 핵자료를 생산하기도 하고, 원자력 재료의 조사시험에도 사용한다. 에너지가 증가되어 100 MeV - 수 GeV에 이르면 양성자는 무거운 원자핵의 강한 반발력을 뚫고 들어갈 뿐만 아니라, 핵 내에 들어가서 핵자들을 여기 시키기에 충분하여 핵을 산산이 부수어 핵자들을 낱개로 방출하기도 한다. 이를 핵파쇄(spallation) 반응이라고 부르며 이때 다량의 고속 중성자와 경원소 입자들이 방출된다. 또 적당한 표적을 선정하여 수백 MeV급 양성자를 조사시키면 중간자 (meson), 뮤온(muon) 및 중성미자 (neutrino)도 다량으로 만들 수 있게된다. 특히 뮤온은 뮤온 스핀 및 공명현상을 이용하여 재료과학연구나 뮤온촉매 핵융합 연구에 유용하다. 중성미자는 물질의 궁극적인 특성을 규명하는데 있어 매우 중요한 역할을 담당한다. 또한 양성자를 이용해 생산된 RI는 원자로에서 생성되는 RI와는 특성이 다른 양전자(positron) 방출형이 많아 의료분야에서 PET (positron emission tomography) 등의 진단용으로 널리 이용되고 있다. 양성자 에너지가 200250 MeV인 경우 인체 내 심부의 암 치료에 상당한 성과를 이룩한 것으로 보고되고 있어, 방사선 치료분야도 양성자 가속기의 중요한 이용 분야로 대두되고 있다.
80년대 중반 이후 가속기기술의 혁신적인 발달로 양성자가속기는 빔 전류가 과거 학술 의료용 급인 평균전류 수십 ՌA 보다 1,000배 내지는 10,000배 큰 장치들이 개발 활용되고 있다. 이러한 대전류 양성자 빔은 이제까지 빔 전류의 한계로 실현할 수 없었던 많은 새로운 분야의 적용이 가능하게 되었다. 그중 하나가 가속기를 이용한 핵파쇄 중성자원 (spallation neutron source)이다. 1 GeV, 수십 mA 정도의 양성자를 무거운 핵에 쪼이면 다량의 중성자가 방출되는데 이 때 중성자속(neutron flux)이 기존 원자로의 선속보다 10100배의 강도를 갖게 된다. 이때 발생되는 고강도의 중성자를 시료에 산란시키므로서 재료의 물성연구, 생명과학 연구 등에 매우 유용하게 사용된다. 또한 고 에너지, 고밀도의 중성자를 사용하여 고속로 재료, 핵융합재료 조사시험도 짧은 시간 내에 할 수 있게된다.
한편 이러한 핵파쇄 중성자원은 다른 방법보다 싼값으로 중성자를 대량생산할 수 있어, 이를 사용하여 임계사고가 원리적으로 불가능한 미임계 시스템을 구동하면 사용후 핵연료에 포함되어 있는 반감기가 수만 - 수백 만년 되는 장반감기 핵종을 변환시키어 반감기가 수십 년인 단수명 또는 안정동위원소로 변환시킬 수 있다. 또한 핵분열 원료물질인 Th-232, U-238 등을 핵분열성 물질인 U-233, Pu-239로 변환 새로운 핵연료로 이용할 수 있게 된다. 이를 가속기 구동 핵변환 (accelerator-driven transmutation) 기술이라고 하며, 현재 관련 연구가 세계 각국에서 활발히 수행되고 있다. 이러한 용도로 사용되는 양성자가속기는 에너지가 GeV급이며 빔 전류가 수십 mA정도로 앞서의 학술용보다는 104105 배의 대용량 장치이며 기술적으로도 제작하기가 어렵다.
개발하고 있는 KOMAC은 현재 원자력 산업이 직면해있는 안전성, 방사성 폐기물 처리, 핵 확산성, 핵연료 자원의 한계성 등의 여러 가지
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Beam Energy : 1.0 GeV Beam Current / Power : 20 mA / 20 MW Particle : H+ (18 mA) / H－ (20 mA) Operational Mode : CW (Final), Pulse (Initial) Accelerator Structures : Linear Accelerator (Injector-RFQ-CCDTL-SL) Accelerator RF System : 31 Klystrons(700 MHz) Intermediate Beam Extraction : 100 MeV / 260 MeV Electricity : 68.5 MW Water Cooling Capacity : 60 MW Accelerator Length : 705.4 m |
현안 문제점들을 양성자 가속기가 가지고 있는 이러한 잠재력을 이용하여 극복하고자 함이다. 지금까지 원자력 분야에서는 이러한 문제들을 해결하려는 수많은 노력이 있었으나 기존의 방법으로는 모두 그 한계에 도달하고 있는 실정이다. 따라서 대용량 양성자가속기가 이러한 문제를 해결해줄 수 있는 하나의 대안으로 고려되어 각국이 이 기술개발에 박차를 가하고 있다. 특히 우리 나라는 원자력 후발국으로서 지금까지는 원자력발전에 직결되는 연구사업만을 추진하여 왔으나, 향후 21세기를 향한 환경친화적인 에너지원의 개발, 방사성 폐기물의 처리, 국민복지를 위한 원자력 의료기술의 개발, 국가위상제고를 위한 국가기반기술의 확립차원에서도 이 사업이 필요하다고 본다.
KOMAC의 제원 및 특성
대용량 양성자가속기는 궁극적으로 방사성 폐기물처리와 신 에너지원 개발에 사용을 목표로 설정하여, 이의 실증을 위한 미임계 시스템을 고려할 때 필요한 빔 전력이 20 MW급이 소요된다. 개발계획의 중간목표로 100 MeV, 260 MeV 중간 단에서 빔을 연속적으로 인출하여 고속 중성자 이용, proton therapy, RI 생산 등 의료 이용, 기초학술연구에도 활용하도록 되어있다. 그리고 향후 확장할 수 있는 목표로서 핵파쇄 중성자원, 중간자원 및 신종 RI 생산 및 이용인 ISOL(isotope separator on-line)에 이용도 고려하였다.
따라서 이들 목표를 달성하기 위한 대용량 양성자 가속기 주요 제원은 표 1과 같고 그 구성은 그림 1과 같다. 여기서 1 GeV, 18 mA 양성자 빔은 미임계 핵변환 시스템에 이용되고 다른 부차적인 목적에 이용하기 위해 2 mA의 H－ 빔을 양성자와 동시에 가속한다.
KOMAC은 여러 종류의 부속 가속기로 이루어지며, 각 부속 가속기는 그 에너지 영역에서 양성자를 가장 효율적으로 가속하도록 설계되었다. 이온원에서 50 keV의 에너지를 갖는 양성자와 H－를 만들어 350 MHz RFQ (radio frequency quadrapole)에 입사시키며, 이 RFQ는 3 MeV까지 양성자와 H－를 동시에 가속한다. 3 MeV에서 100 MeV 영역의 가속에는 700 MHz CCDTL (coupled cavity drift tube linac)을 이용한다. 100 MeV 이후에서는 700 MHz 초전도 선형가속기 SL (superconducting linac)를 이용하여 최종 에너지 1 GeV까지 가속한다. SL의 전단 및 중간단인 각각 100 MeV, 260 MeV에서 H－빔을 분리하고 이를 magnetic stripping이나 laser stripping 장치를 설치하여 빔을 일부 인출하여 부차적인 목적에 사용한다.
KOMAC의 개발 계획 및 전략
현재 원자력 선진국인 미, 일, 불, 유럽 등에서는 핵파쇄 중성자원과 핵변환 연구용으로 대용량 양성자가속기를 개발하고 있다. 따라서 우리의 개발전략도 이 계획들을 고려하여 관련기관들과의 상호 정보 및 인력 교류가 용이하도록 협력체제를 구성하였다.
외국 시설의 경우는 핵파쇄용 중성자원, 삼중수소 생산용 등으로 가속기를 단일목적으로 건설하고 있으나, 우리 나라 실정에서는 대용량 양성자 가속기는 원자력분야 뿐만 아니라 여러 분야에 이용할 수 있게 개발하는 것이 바람직하다고 본다. 이유는 외국의 경우에는 다양한 대형 가속기 시설이 많으나, 국내에는 장치를 건설할 재원의 제한으로 한 장치로서 여러 목적을 동시에 달성할 수 있도록 장치 및 프로그램을 구성하는 것이 필요하다.
특히 우리나라의 경우 대용량 양성자가속기 개발 경험이 일천하므로 국내 가속기분야의 기술인력을 동원하고 가속기기술의 산업적 파급효과도 고려하여 산·학·연 협동으로 프로그램을 구성하여 운영하고 있다.
KOMAC 프로그램 구성 중 타 프로그램과 구별되는 특징은 낮은 에너지부터 가속기를 순차적으로 개발하면서, 동시에 개발된 가속기기술을 이용하여 각종 빔 이용/응용 프로그램도 구성할 수 있다는 것이다. 즉 앞단부터 가속기를 개발하면서 중간 결과를 내고 기술적인 점검을 하면서 수행할 수 있다는 특징이 있다. 이렇게 함으로서 대형 가속기시설 건설시 야기될지도 모르는 기술적 정책적인 위험도를 줄이면서 개발사업을 추진할 수 있게 된다.
그림 2는 원자력중장기 계획에서 추진되고 있는 가속기 및 빔 이용기술의 단계적인 개발 일정이다. 1997년 7월부터 1단계 과제가 시작되어 현재 50 keV, 30 mA의 입사기는 완성되었으며, 2002년 3월에 1단계가 종료될 것이다. 1단계 기간에 입사기-RFQ-CCDTL(I)이 완성되어 20 MeV 가속기와 관련 저 에너지 빔 이용기술이 개발될 계획이다. 2단계는 1단계 연구개발의 경험을 토대로 하여 본격적으로 1 GeV까지 본 장치 및 이용시설 건설이 이루어질 것이다.
그림 2. KOMAC 개발 전략.
KOMAC의 이용시설 및 응용분야
KOMAC의 이용시설은 그림 3과 같이 각 부속가속기에서 인출되는 양성자의 에너지별로 이용시설을 분류하여 구성하였다. 각 이용시설을 간략히 소개하면 다음과 같다. 자세한 내용은 본 특집 "KOMAC의 이용/응용 분야"를 참고하기 바란다.
1) 저 에너지 이용시설: 입사기와 RFQ가속기의 MeV급 가속기기술을 이용하여 본 장치에서 분리된 독립적인 전용장치시설을 건조하여 운영한다. 이용/응용분야는 주로 산업용으로는 전력용 반도체의 조사, 지뢰 및 폭발물 검색, 이동형 중성자 radiography, 플라스틱 강화 처리 등이며 의료용으로는 BNCT 장치개발 등이 이 범주에 속한다.
2) 방사성 동위원소 생산시설: 20 MeV 이상의 영역에서 mA급 대전류 양성자 빔을 사용하여 여러 의료용 방사성동위원소를 다량으로 생산하여, 반감기가 비교적 긴 것은 국내 수요에 충족하고 단 반감기 핵종은 인근지역에 공급토록 한다.
3) 고속중성자 이용시설: 100 MeV 양성자에 의하여 발생되는 수십 MeV급 고속중성자를 사용하여 고 에너지 중성자 핵반응 연구와 핵자료 생산에 사용한다. 고속중성자에 의한 고속로 및 핵융합로 재료 시험에도 활용한다. 산업용으로는 항공 우주소자의 특성시험 장치로도 활용하고, 의료용으로는 신체 얕은 부위에 위치하는 암 및 종양 등의 양성자선 치료에도 사용한다.
4) 의학용 이용시설: 초전도가속기의 전단인 260 MeV에서 소량의 빔을 인출하여 양성자선 치료 연구 및 임상에 전용으로 사용한다. 핵파쇄 반응을 이용한 새로운 종류의 방사선동위원소의 생산 및 이용도 가능하다.
5) 미임계 시스템 실험시설: 1 GeV 18 mA의 양성자 빔을 연속적으로 미임계 시스템에 주입하여 장수명핵종 변환 실험, 토륨주기의 청정 원자력에너지 생산을 위한 실증장치개발에 사용한다. 자세한 내용은 본 특집의 "가속기구동 핵변환기술 개발 현황과 전망"을 참고하기 바란다.
6) 고 에너지 양성자 빔 이용시설: 1 GeV 양성자빔을 사용 고밀도의 중간자 및 뉴트리노를 생산한다. 이를 이용 입자물리실험, 재료시험 및 뮤온촉매 핵융합 등을 연구한다.
7) 핵파쇄 중성자원 이용시설: 1 GeV의 빔을 Hg 등 중원소 표적에 조사하여 핵파쇄 중성자를 생성하여 중성자 산란법을 이용한 재료의 물성연구, 단백질 및 DNA 구조 규명 등 생명과학 연구 등에 사용한다. 필요시 양성자 저장링을 건설하여 강한 펄스 중성자속을 얻도록 확장성도 고려되고 있다.
맺는 말
대용량 양성자가속기, KOMAC의 개발과 장치의 효율적인 이용은 현재 침체된 원자력분야의 새로운 활로를 제공해 줄 것으로 기대한다. 아울러 산업, 의료, 방위산업, 신소재, 생명과학 등 응용과학 및 순수과학분야 학술연구 등에도 기반연구시설로서 널리 이용될 수 있다. 특히 가속기 장치 건설시 요구되는 고출력 RF기술, 초전도 기술, 고진공 기술, 정밀가공 기술 등 개발기술의 고도성에 비추어 국내 산업전반에 걸쳐 많은 spin-off 효과를 기대할 수 있다고 본다. 따라서 KOMAC 개발은 원자력 산업계는 물론 국가 기반연구시설로서 학문발전에 기여할 것이며, 더 나아가 전 산업계의 기술경쟁력 강화에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 확신하며, 결국은 국가기술경쟁력을 제고하여 장기적으로는 국가경제에도 이바지할 수 있는 시발점이 될 수 있지 않을까 감히 기대해 본다.
감사의 글
이 과제는 과기부에서 주관하는 원자력연구개발 중·장기 사업의 일환으로 사업이 추진되고 있습니다. 과기부 및 STEPI 관계자 여러분께 깊은 감사드립니다.
지금까지 양성자가속기 Workshop과 Technical Review에 참석하시어 개발계획의 방향설정에서부터 상세한 기술적 검증에 이르기까지 많은 협조와 조언을 주신, 미국 ANL의 조양래, 김석홍 박사님, BNL의 이용영 박사님, LANL의 안효은 박사님, 서울대 정기형, 박찬일, 방형찬 교수님, 포항가속기연구소 배석희, 남궁원 교수님, 중앙대 이종훈 총장님, 정재국 교수님, 고려대 심광숙 교수님, 원자력병원의 류성렬 박사님께도 감사드립니다. 계획추진시부터 많은 관심을 갖으시고 연구개발에 참여하여 주신 과학기술원, 서울대, 포항공대, 삼성중공업, 포스콘, 전력연구원, 한국중공업 참여자 여러분들께도 감사드립니다.
참 고 문 헌
[1] 엄태윤, 최병호 외, "원자력산업용 가속기 개발계획(안) 수립 및 기본설계 연구", KAERI/RR-1769/96 (1997).
[2] 초록집, "양성자가속기 국제 Workshop", 서울대, '97. 9.3-4, KAERI/GP-118/97 (1997).
[3] 초록집, "제2회 양성자가속기 Workshop", 중앙대, '98. 2.9-10, KAERI/GP-122/98 (1998).
| 최병호 박사는 서울대학교 원자핵공학과에서 학위를 취득하였으며, 1980년도 한국원자력연구소에 입소하여 중성자발생장치, 산업용 이온주입기 등 가속장치 개발 및 빔 이용연구를 해왔다. 1995년 미국 LANL에서 양성자가속기 및 핵변환시스템을 연구하였으며, 현재 원자력연구소 핵물리공학팀장으로 핵종변환장치개발 연구책임자로 일하고 있다. (bhchoi@nanum.kaeri.re.kr) |