1930년대 초 기초학문 연구를 위한 수단으로 가속기가 개발되기 시작한 이래 가속기는 물리학 뿐만 아니라 산업적 이용 등 그 범위는 다양하여졌으며, 양성자 가속기의 경우 입자 연구를 위한 대형 장치들이 속속 건조되어 현재 그 에너지가 TeV 급에 이르고 있다. 기초연구, 의료용, 산업용 및 방위산업용으로 사용되고 있는 가속기는 첨단기술 종합체로서 대형 전자석 설계건설, 초정밀 가공기술, 초고전압 기술, 고진공 기술, 고주파 기술, 초전도 기술, 극저온 기술, 컴퓨터 제어 등 가속기 기술 보유시 학술 연구 뿐만 아니라, 의료적, 산업적 응용 등 그 파급효과가 대단히 크다.
국내의 국제적 규모의 대형 가속기는 1989년부터 시작되어 1994년에 완성된 포항 방사광 가속기(PLS: Pohang Light Source)가 있다. 이는 2 GeV 전자 선형가속기 및 저장링으로 구성되어 있으며, 광속도에 근접한 속도를 갖는 전자 빔(beam)이 자장 속에서 휘어질 때 접선방향으로 나오는 빛 즉 방사광(synchrotron light)을 이용하는 장치로 광을 이용한 물질 분석, 반도체 식각, 광화학 반응 등 기초 연구 및 학술 목적에 사용되고 있다.
한국원자력연구소 및 각 학계를 중심으로 우리 나라에 대용량의 다목적 양성자 가속기, KOMAC (KOrea Multipurpose Accelerator Complex, 최종 목표: 20 mA, 1 GeV)를 건설을 추진하게 되었음은 과학계, 산업계, 아울러 모든 국민에게 자긍심을 줄 뿐만 아니라 이에 따른 산업적 파급효과로 어려움에 처해있는 현 상황에 희망을 주는 반가운 일이 아닐 수 없다. KOMAC은 중간에 빔을 인출하여 쓸 수 있도록 고안된 장치로 기초 연구 뿐만 아니라, 산업 및 의료용 등 이용 분야가 다양하다.
가속기 건설에 투입되는 비용과 인력 등을 고려하여 볼 때, KOMAC의 효율적 이용은 굳이 언급하지 않아도 그 중요성이 매우 큼은 주지의 사실이다. KOMAC의 효율적인 가동을 위하여 추진 초기부터 철저한 사용자 시장조사 및 계획으로 빔 이용/응용 수요에 대한 각계 각층의 의견을 조사·수렴하여 가속기 설계 및 이용시설에 적극 반영하여 그 이용 효율을 극대화하여야 함이 필수적이다. 이용자 프로그램은 각 이용자들이 제공하는 정보를 KOMAC에 맞도록 분석․재편하여 이용 분야별 중요도 분배인자(weighting factor)를 결정함과 동시에 KOMAC 이용 목적 및 국익에 부합하도록 추진 방향을 결정하는 것이다.
따라서, 여기서는 KOMAC의 이용/응용 분야에 대한 소개와 KOMAC의 이용자 프로그램 추진방향 그리고 이미 시행되고 있는 국내·외의 가속기 이용자 프로그램에 대하여 간략히 기술하고자 한다.
KOMAC의 이용/응용 분야
현재 대부분의 전기 에너지는 원자력 발전과 화석연료에 의한 화력 발전으로부터 얻어지고 있다. 원자력 발전의 경우 방사성 폐기물을 끊임없이 배출하며, 화력 발전의 경우 지구 온난화의 주범이라 할 수 있는 탄산가스 및 NOx, SOx를 발생시키면서 동시에 산업 원료의 고갈을 가속화시키고 있다.
지하자원의 매장량은 한정되어 있으나, 에너지 소비는 계속 늘어나 2040년 이후 에너지 위기를 맞게 된다. 또한, 한국의 이산화탄소 증가율은 세계 최고이며 (세계일보, 1996년 1월 14일 보도), 1992년 리우 정상회담에서 체결된 [지구온난화 방지협약]에 따르면 지구 온난화 주범인 이산화탄소 방출량을 2000년까지 90년 수준으로 규제할 것을 요구하고 있다. 우리나라의 경우도 예외는 아니어서 2000년도 배출 예상량 1억 4,850만 톤을 1990년 수준인 6,520만 톤으로 감축하여야만 (동아일보, 1997년 8월 11일 보도) 하는 등 전세계적으로 지구 환경보호에 대한 규제가 강화되고 있다. 따라서 전력은 원자력으로부터 얻되 방사성 폐기물을 대폭 줄이고 화력 발전 또한 대폭 줄여서 환경보호와 더불어 석탄·석유 등의 지하자원은 미래를 위한 섬유·화학공업 자원으로 이용되어야 함이 필요하다. 지구 자원의 합리적인 사용과 자연 환경 친화적 폐기물의 새로운 처리 방법의 개발은 오늘의 우리 자신들을 위하여서 뿐만 아니라, 후손들을 위하여도 반드시 이루어져야만 하는
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구분 |
이용/응용 분야 |
적용공정 |
비고 |
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I. 저에너지 이용 시설 |
전력용 반도체 조사 |
전력용 반도체소자의 스위칭 특성제어 |
10 MeV 이하
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지뢰 및 폭발물 탐지 |
질소핵과 감마선의 광핵 공명반응 이용, 물질의 질소농도 측정 |
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플라스틱 표면 강화처리 |
플라스틱 제품에 고에너지 주입 이온주입에 의한 표면특성의 변화 |
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이동식 중성자 radiography |
양성자 빔을 조사시켜 생성된 중성자 이용 radiography |
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BNCT (boron neutron capture therapy) |
10B(n,α)7Li reaction |
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II. 중에너지 이용 시설 |
우주항공 재료 개발 |
우주항공소자의 내방사선 안정성 시험 |
20 MeV - 100 MeV |
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TLA (thin layer activation) |
양성자 빔으로 방사화시켜 마모도 측정 |
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양성자 radiography |
양성자 빔을 직접 이용해 고속현상을 고해상도로 관찰하는 radiography |
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III. 동위원소 생산 시설 |
새로운 의학용 짧은 반감기 핵종 개발 |
양성자 및 2차 중성자와의 핵반응 이용 RI생산 |
20 MeV 이상 |
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IV. 고속중성자 생산 및 이용 시설 |
핵융합로 재료 시험 |
20 MeV 양성자를 Li, Be표적에 조사하여 평균에너지 10 MeV 이상의 중성자 생산 |
20 MeV - 1 GeV
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원자로 재료시험 |
원자로 재료 고속 중성자 조사 시험 |
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핵자료 생산 |
중성자 반응단면적 측정 |
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생명과학 |
단백질/DNA 구조 연구 |
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물성연구 |
중성자산란을 이용하여 물질의 특성 연구 |
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V. 동위원소 분리시설 (ISOL: isotope separator on-line) |
온라인 동위원소 분리에 의한 방사성 핵종 빔이용 |
고전류 일차 빔을 이용하여 온라인 동위원소 분리에 의한 방사성 핵종 빔장치의 개발, 기초물리학에의 파급효과 기대 |
50 MeV∼1 GeV, 1 mA ※이용자 수요조사 결과 제안된 내용 |
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VI. 의학용 이용 시설 |
양성자선을 이용한 종양 치료 |
Bragg peak 이용, 선량을 원하는 표적 부위에 국한하여 조사, 암의 치료효과 향상 |
260 MeV, 1 mA |
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VII. 고에너지 이용시설 |
기초 물리 현상 연구 |
·대칭성 비보존 실험 ·νe·νμ빔을 이용한 ν빔 연구 Pulse μSR 연구 초저속 뮤온 빔을 생성하여 표면과학 연구 ·Pion: 핵물리 연구 ·고밀도의 중성자 빔 |
1 GeV |
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재료 시험 및 연구 |
양뮤온 이용 물질의 자기적 성질 연구 |
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뮤온 촉매 핵융합 연구 |
고에너지 양성자를 탄소표적에 부딪혀 +, － 파이온 생성, 이로부터 뮤온이 형성됨, 음뮤온은 DT Ionic 분자를 형성 핵융합 촉진 |
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VIII. 미임계시스템 실험 시설 |
경수로 사용 후 핵 연료에 내재한 장수명 핵종 변환 시험 |
유효 증배수가 1보다 작은 가속기 구동, 사용후 핵연료를 재처리한 후 분리된 장 반감기의 초우란 원소를 가속기 미임계 시스템에 사용 |
1 GeV, CW 양성자 빔 18 mA
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토륨 연료를 이용한 새로운 원자력 에너지 생산 장치 시험 |
토륨 연료 주기에 U-238 혼합하여 분열성 핵종의 함량을 12 %이하로 감소 →Th-228 → U-233, Ti-208 (토륨을 233으로 핵변환, U-238을 첨가하여 보관) |
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년도 |
수상자 |
업적 |
이용가속기 시설 및 비고 |
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1939 |
E.O. Lawrence (미) |
Cyclotron 양성자 가속기 발명, 인공 동위원소 합성 |
Cyclotron (University of California) |
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1951 |
S.J.D. Cockcroft (영) E.T.S. Walton (아일랜드) |
가속입자에 의한 최초 핵종변환 실현 |
DC 양성자 가속기 |
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1968 |
L.W. Alvarez (미) |
입자발견과 RF 양성자 가속기 기술개발 공헌 |
Bevatron (Berkely Synchrotron 양성자 가속기) |
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1976 |
B. Richer (미) S.C.C. Ting (미) |
J/Ψ 입자발견 |
SLAC e+e－ Collider (SPEAR) BNL Syncrotron 양성자 가속기(AGS) |
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1984 |
C. Rubbia (미) S. Van der Meer (네) |
W,Z 입자발견과 가속기기술부문 공헌 |
--- CERN pp Collider (SPS) |
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1988 |
L.M. Lederman (미) M. Schwartz (미) J. Steinberger (미) |
뮤온 뉴트리노 발견 |
BNL Synchrotron 양성자 가속기(AGS) |
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1995 |
M.L. Peri (미) |
τ입자 발견 |
SLAC e+e－ Collider (SPEAR) |
KOMAC은 주목적인 미임계로에 이용하는 것 이외에도 가속기가 단계별로 건설되는 것을 고려하여 각 단계별로 부속 가속기가 완성되었을 때, 그 에너지의 빔을 이용하도록 설계하여 이용 분야를 다양화하고 효율이 극대화하도록 계획되었다. 또한, 가속기가 완성된 후에도 1 GeV 및 그보다 낮은 에너지에서 미임계로 이외의 핵파쇄 중성자원으로서의 활용 및 산업적 이용을 목적으로 빔을 인출할 수 있도록 되어 있는 것이 현재 다른 대형 양성자 가속기 프로젝트와 구분되는 특징이다. 그림 1에 KOMAC 건설 각 단계에 있어 가능한 빔의 이용/응용 분야를 나타내었으며, 표 1에 보다 구체적인 내용을 나타내었다.
KOMAC을 이용한 세계적 수준 급의 실험은 (1) 뉴트리노 (ν)에 관한 실험으로 ν oscillation, 경입자 비보존, 그리고 axion 탐색 실험 등을 예로 들 수 있으며, 우리나라의 물리학계에서는 Cerenkov radiation을 이용하여 뉴트리노의 존재 및 질량 측정 실험을 준비하고 있다. (Hanul Project, 이는 dark matter의 규명에도 큰 몫을 할 것이다.) (2) 뮤온(muon)에 관한 실험으로는 고에너지 양성자를 탄소표적에 부딪쳐 π+, π－를 생성시킨 뒤 이로부터 생성된 +, － 뮤온으로부터 표 1에 나타낸 것과 같이, μ+는 물질의 자기적 성질 연구에, μ－는 DT Ionic 분자를 형성하여 기존의 방법에 비하여 100여배 이상의 핵융합 반응을 촉진시킬 수 있는 뮤온촉매(muon-catalyzed) 핵융합 연구 실험이 있다. KOMAC건설과 더불어 노벨상에의 도전을 한국에서 시도하여 볼 수 있다는 것은 학계나 국가적 차원에서 고무적인 일로써 장래의 기초 과학 및 산업계의 발전이 기대된다.
1939년에서 1997년 사이의 노벨 물리학상 수상자 109명 중 23명이 (21 %) 가속기 및 빔 이용관련 수상자였으며, 참고로 이를 표 2에 노벨 물리학상 수상자, 이용 가속기 및 그 업적을 나타내었다.
표 3은 KOMAC과 동급의 세계적 가속기를 비교한 것이다. 이 표에서 알 수 있듯이 KOMAC은 빔 출력이 20 MW인 연속운전모드 (CW mode)로 핵종변환을 주목적으로 할 수 있는 능력을 보유한 최첨단 가속기라 할 수 있다. 이러한 최첨단 가속기에서 얻어지는 빔을 이용하면 활동중인 분자의 원자레벨 구조 연구 등 생명 과학 분야에서의 연구 및 초분자, 유기 전도체, 비정질 계면, 극한 조건에서의 상전이, 초우란 원소 화합물의 자성, 박막 물성 연구 등 물질 과학 분야에서의 연구에 매우 유용하다. 또한 결정 성장, 미량 첨가 원소 효과 연구 등 재료 과학 분야에서의 연구, 원소 합성과 별의 구조 연구 등 지구 과학 분야에서의 연구 등 여러 분야의 다양한 첨단 연구가 가능하므로, 국외의 이용자들을 국내에의 유치가 가능하며, 이를 활성화하여 한국이 세계의 중심이 될 수 있음을 기대하여 볼 때 이 사업의 중요성이 더하여진다.
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Accelerator Parameter |
IPNS upgrade |
LANCE |
APT |
NSP |
SNS |
ISIS |
ESS |
PSI SINQ |
KAERI KOMAC |
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Laboratory /Nation |
ANL /USA |
LANA /USA |
LANL /USA |
JAERI /Japan |
ORNL /USA |
England/ Rutherford- Appleton |
EU |
PSI /Swiss |
KAERI /Korea |
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Beam Energy at extraction (GeV) |
2 (2.2) |
0.8 |
1.7 |
1.5 |
1 |
0.8 |
1.3 |
0.8 |
1.0 |
|
Beam average Current(mA) |
0.5 |
1.25 |
100 |
1(pulse) 5.3(CW) |
1 |
0.2 |
3.7 |
1.6 |
20 |
|
Beam Power(MW) |
1.0 |
1 |
170 |
1.5(pulse) 8(CW) |
1 |
0.16 |
5 |
1 |
20 |
|
Pulse Length/ Repetition Rate |
<1 ㎲ /30 Hz |
1 ms /60 Hz |
CW |
50 Hz, CW |
0.5 ㎲ 60 Hz |
0.4 ㎲ 50 Hz |
1 ㎲ /50 Hz |
CW |
CW |
|
Accelerator Type |
Synchrotron |
Linac |
Linac |
Linac |
Linac+SR |
Synchrotron |
Linac+SR |
Ring Cyclotron |
Linac |
|
Application |
Neutron Science |
Basic Science |
Tritium Production |
Transmuta- tion, Neutron Science |
Neutron Science |
Basic Science |
Neutron Science |
Basic Science |
Energy Amplifier, Transmu- tation |
KOMAC 이용자 프로그램
지금까지 KOMAC의 이용/응용부문에 대하여 살펴보았다. 앞에서 언급한 바와 같이 KOMAC 건설에 있어 가장 중요한 것은 최대의 효율적 이용이다. 각 건설 단계에 따라 빔을 인출하여 사용할 수 있는 것이 다른 대형 가속기와의 차이점이라는 것은 앞에서 이미 지적하였으며, 빔 이용 수요의 철저한 조사, 이용자의 조기 발굴 및 교육으로 가속기가 완성되었을 때 이용자의 요구에 맞는 실험 및 산업적 생산을 달성할 수 있도록 유도함과 동시에 장기적인 효율적 활용이 이용자 프로그램의 목적이다. 이에 대하여 살펴보기로 한다.
이용자 프로그램의 주요 내용은 가속기 건설 초기단계부터 가속기 활용에 대한 적극적인 홍보와 동시에 수요 조사를 함으로써 각 분야별 이용자 그룹을 형성·그룹별 대표자 선정 및 예비제안서 도출 (연구분야, 연구 항목, 소요예산, 소요기간 등을 자세히 기록하여 제출)을 유도하는 것이다. 이와 같이 제출된 예비제안서는 객관적인 선별 과정 등 심사 (미래 지향적인 기초기반기술과 물리적 연구에의 기대효과, 산업적 파급효과에 대한 심사)과정을 거친 후 가속기 건설시 이를 고려하여 이용자 각 개인이나 그룹에 대하여 각각의 빔 에너지에서의 합당한 연구테마나 혹은 기술적 우수성으로 산업적 파급 효과가 크다고 판단되는 내용에 대한 사전 조사를 하여 전체적 수요의 윤곽을 잡게된다. 수요도에 따른 중요도 (weighting factor)는 사업의 예산에 반영된다. 표 3에 나타낸 국제적 KOMAC 급의 양성자 가속기에 대한 사용자 프로그램을 인터넷을 통한 정보 교류, 방문 조사, 전문가 초청 등을 통하여 국제 협력 프로그램 도출과 함께 국내 이용자 기반 및 유지 프로그램을 마련한다. 이용자 현황 파악․자료 수집을 하며, 필요하면 이들과 협력체계를 이루어 시설별 자료를 수집하여 KOMAC 이용자 프로그램에 참고로 한다. 또한 산업체와 공동으로 장치개발 및 빔 이용/응용 기술 개발을 수행하여 개발기술의 산업화를 조기 추진할 수 있도록 국가 기간산업으로의 전파를 역동적으로 추진할 젊고 활찬 인력의 양성, 이용자의 창의적 지식상품의 생산 및 새로운 산업체를 이끌어갈 인재들의 보급이 원활하도록 한다. 국내 인적·시설 자원 활용 및 개발 기술 파급의 극대화를 위하여, 범 부처별 관련 연구 기관과의 공동 협력 및 산·학·연 연계를 추진한다. 이 밖에도 물리학 분야의 양성자 저장링 시설, ISOL (isotope separation on-line) 등과 같은 연구에 필요한 추가시설 도출과 더불어 숙소 및 지원 시설 등 연구에 필요한 부속시설 건설에 이용자들의 편의를 최대한 반영할 수 있도록 의견을 수렴하는 역할을 한다. 수집된 자료들을 종합하여 KOMAC 이용자 Home Page를 구축하여 이용자들이 볼 수 있도록 할 예정이다.
여기서 이미 진행되고 있는 국내·외 가속기 이용자 프로그램에 대하여 간단히 살펴보기로 한다. 포항방사광 가속기의 경우, 1994년에 준공(2 GeV, 100 mA)된 후 1995년부터 방사광 시설 이용을 개방하여 현재 5개의 빔 라인(beam line)에서 연간 400여명의 연구자가 참여하고 있다. 현재 광주과기원 빔 라인(KJIST), x-ray lithography 빔 라인이 건설 중에 있어 앞으로 그 이용 범위는 늘어날 전망이다. 빔의 이용은 일반이용자와 전용 이용자 (빔 라인을 소유하고 있는 기관소속의 연구종사자)로 구분되어지며, 1년에 2차례 이용 신청이 가능하다. 빔 이용 신청하기 전에 빔 라인 담당자들과 실험계획을 사전 협의한다. 10인 이상으로 구성된 전문위원회에서 방사광 이용과제 심사 및 사용할 때 사용 시간 (beam time)의 우선순위 등을 결정하며, 신청 후 약 2개월 후면 이용가능여부를 알 수 있다. 국가 출연 연구소 및 대학을 포함한 교육기관은 1일 2십만원, 일반기업체 및 기타기관은 1일 3백만원의 사용료를 내며, 숙소는 무료로 제공된다. 방사광 이용에 관한 업무는 방사광이용자협의회정관에 (1995년 8월 제정) 따르고 있다.
참고로 올해 8월 말 방문하였던 미국 Argonne 국립연구소의 APS (Advanced Photon Source: National Synchrotron Radiation Research Facility)의 이용자 프로그램에 대하여 간단하게 기술하여 본다.
1983년 이래 다양한 과학훈련을 받은 이용자들은 그들 요구를 알림으로써, 시설을 설계하는데 도움을 주었다. 1986년의 6 GeV, 1987년의 7 GeV의 고휘도 synchrotron x-ray source에 대한 개념설계에 대하여 DOE가 1990년 승인하였으며 95년 첫 번째 7 GeV, 100 mA 빔을 발생시킨 후로 현재 70여개에 달하는 빔 라인에 4,000여명의 과학자가 참여하고 있다. 같은 연구 테마를 갖는 많은 과학자들은 CAT (Collaborative Access Team), IIS(Independent Investigators)의 회원으로 APS 시설을 운용하고 있다.
CAT는 공통연구 목표를 갖는 많은 과학자들과 Investigators (외국인 참여자들도 포함, 현재는 캐나다, 호주의 과학자들이 많음)가 빔 라인의 설계(차폐시설 포함), 건축, 예산, 운영 등 각 실험의 요구에 맞도록 프로그램에 적극적으로 참여하고 있다. CAT에서 의견을 모아 제출한 제안서는 6명의 과학자로 구성된 PEB (Proposal Evaluation Board)에서 연구의 과학 기술적 우수성을 고려하여 연구제안서를 평가하며, Review Panel (공개토론 및 심사) 혹은 관심 있는 특정영역에서의 전문 기술 지식을 습득하여 목적, 자질, CAT 회원, 운영 계획에 따라 비중 중요도를 판정한다. PEB에서 승인된 제안서는 APS에서 과학훈련을 받게 하여 연구자질의 향상 및 과학생산성을 높이도록 도와준다. DOE, 대학, 개인 기업 등에서 빔 라인 건설비를 제공하며 빔 라인이 아닐 때에는 실험장소 유지비 등 기본운영비는 지불하지 않는다. 숙소는 1인실의 경우 60$/1일, 가족용의 경우 240$/1일이다. 대학교수와 학생들은 매일 산업계나 국립 실험실에서 파견된 동료들과 공동 세미나 및 즉흥 토론 등의 공식·비공식으로 상호 의견을 주고받아 연구발전을 위하여 적극적으로 활동하고 있다.
이와 같이 이용자 프로그램은 끊임없이 이용자들의 의견을 수렴하고, 연구자질을 높이며 미래지향적 학문연구의 기반 및 빔의 효율적 가동을 위한 프로그램으로 그 중요성이 매우 크다고 하겠다.
지난 6월 27일 "KAPRA & KPS/DPP Joint Workshop" [KAPRA(Korea Accelerator and Plasma Association), KPS (Korean Physical Society), DPP(Division of Plasma Physics)]에서 KOMAC 이용/응용 수요조사를 행한 바 있으며, 그 후 E-mail 및 우편으로 각 학회에 수요조사 자료를 보낸 바 있다. 그 결과 고에너지 양성자 빔을 이용한 기초 물리 현상 연구, 재료 시험 연구, 그리고 중성자를 이용한 물성 분석, 동위원소 생산 등에 관심을 많이 보였다. KOMAC 이용자 프로그램은 가능한 한 많은 의견을 들어 이를 가속기 설계 및 건설에 반영하여 효율적 이용을 이루는 것이 그 목적으로 언제나 문이 열려 있다. 많은 의견 및 참여를 희망한다.
"저온 플라즈마"
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정기형 교수는 서울대학교 문리과대학 물리학과에서 이학박사 학위를 취득하였으며 1970년부터 현재까지 서울대학교 공과대학 원자핵공학과 교수로 재직 중이다. 이강옥 박사는 1996년 이화여자대학교 대학원에서 원자핵 물리 박사학위를 취득한 후, 일본 이화학연구소(RIKEN) 연구원, 이화여자대학교 강사를 역임하였고, 현재 단국대학교ㅑ 강사 및 사단법인 한국가속기 및 플리즈마 연구협회(KAPRA) 선임연구원으로 재직 중이다. (kangok@paragon.snu.ac.kr) |