- 값비싼 방사성동위원소 대체 가능, 기존 장치보다 중성자 10배 이상 만들어 -

- 향후 자동차, 군수, 항공 산업 전반에서 비파괴 검사 역할 기대 -

□ 시멘트, 철강, 핵연료 검사 등 산업현장에서는 물질의 구조나 성분을 파악하기 위해 중성자 비파괴 검사를 한다. 물질을 통과하는 중성자가 물질 구성 원소의 원자핵과 반응하는 원리를 이용해 해당 물질을 파악하는데, 중성자는 방사성동위원소인 캘리포늄(Cf-252)에서 얻고 있다. 캘리포늄은 전량 수입에 의존해왔으며, 연간 수십억 규모로 추산된다.

 ㅇ 최근 산업현장에서는 중성자 발생장치가 주목받고 있다. 이 장치는 티타늄 표적에 이온빔을 조사해 중성자를 만드는 장치이다. 방사성동위원소가 아닌 장치로부터 중성자를 얻어 비파괴 검사를 하는 길을 찾은 것이다.

 ㅇ 중성자 발생장치를 여러 산업에 활용하려면 다량의 중성자가 필요하고, 간편하게 이동·설치할 수 있어야 한다. 중성자가 많아야 물질을 빠르고 정확하게 분석할 수 있고, 이동과 설치가 쉬워야 현장에서 바로 기기를 사용할 수 있기 때문이다.

(사진 1) 한국원자력연구원에서 개발한 중성자 발생장치 전경 (핵물리응용연구부 김선호 책임연구원)

□ 이런 가운데, 국내에서 세계 최고 수준의 고선량·이동형 중성자 발생장치가 개발돼 화제다. 한국원자력연구원은 핵물리응용연구부 김선호 박사 연구팀이 고에너지의 중수소 이온빔을 만드는 장치인 ‘ECR* 플라즈마원’과 발생된 이온을 가속하는 ‘가속부’를 새로 개발했다고 21일 밝혔다.

    * ECR: 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance), 이온화가 매우 높은 플라즈마를 얻을 수 있다.

 ㅇ 개발 장치는 세계 최고 수준인 1010n/s(Neutron per Second, 1초에 100억 개의 중성자 발생)의 고선량 중성자를 만들 수 있다. 기존 이동형 장치보다 10배 이상의 중성자를 생성해 검사 시간을 혁신적으로 줄일 수 있다. 전세계적으로 가장 성능이 좋은 장치는 미국에서 만든 설비로, 고선량 중성자를 만들 수 있지만 규모가 상당히 커 이동과 설치가 어렵다. 반면, 연구원이 개발한 장치는 세계에서 두 번째 성능을 가지면서 차폐체와 제어 시스템을 포함해도 트레일러 1대에 싣고 이동할 정도로 이동과 설치가 간편하다는 장점이 있다.

 ㅇ ECR 플라즈마원은 중수소를 이온빔으로 바꿔주는 장치이다. 성능 향상을 위해 여러 번의 시뮬레이션과 부품 구조를 변경해가며 자기장 구조를 최적화했다. 그 결과 이온빔 성능을 35mA에서 50mA까지 끌어올렸다.

 ㅇ 가속부는 이동이 가능한 크기 내에서 최대한 높은 에너지를 확보해야 했다. 그래서 전체 배치나 형상을 조금씩 바꿔가며 설계 전체를 바꾸는 실험을 5~6차례 진행해 그 성능을 150keV에서 200keV(1.5V AA 건전지를 약 134,000개 직렬 연결한 전압)까지 끌어올렸다.

(사진 2) 중성자 발생장치 원격제어시스템

(사진 3) 중성자 발생장치 빔 인출 모습

□ 개발한 중성자 발생장치는 향후 자동차-항공기-군수 산업 핵심 부품의 비파괴 검사, 제철이나 석유화학단지 플랜트, 핵연료의 실시간 진단, 공항이나 항만 등 주요 국가시설 폭발물 탐지 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

 o 연구팀에서는 현재 낮은 중성자 발생 선량 장치부터 산업화를 진행하고 있다. 그 첫 단계로 2023년 4월 큐빔솔루션㈜이라는 연구원 창업기업을 설립해 투자유치까지 성공했다.

□ 이동원 핵물리응용연구부장은 “향후 완성도를 높여 산업화를 진행한다면 관련 산업 발전과 수입대체 효과, 나아가 해외시장 선도도 가능할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.