한국형 중이온 가속기 ‘라온’ 미국·일본 넘어설까?

1한국 차세대 기초과학 연구의 핵심 인프라 실현을 목표로 2021년 한국형 중이온 가속기 ‘라온’이 세계 가속기 시장에 도전장을 내민다.

중이온 가속시설은 원소의 기원 탐구, 새로운 동위원소들의 발견과 그 구조 연구, 희귀동위원소들을 이용한 신물질 연구, 의학 응용 연구 등 다양한 연구 분야를 세계적 수준으로 이끌어나가는 핵심적인 역할을 담당할 예정이다.

중이온가속기를 이용한 이러한 기초 및 응용 분야 연구 성과는 한국이 미국, 유럽연합 그리고 일본과 같은 기초연구 선진국 클럽에 진입한다는 중요한 국가적 의제(agenda)의 완결을 의미 한다.

현재 미국은 가속기를 보유하고 있는 기관은 일리노이주 시카고에 위치한 미국 최초의 국립연구소이자 세계 최초의 핵에너지 연구소(ANL, Argonne National Laboratory)를 포함 총7개 기관에서 보유하고 있다. 또한 일본은 2004년 중이온가속기를 이용해 새로운 입자 자포늄(Japonium)을 발견했다. 자포늄(Japonium)은 원소주기율표에 원소번호 113번으로 새롭게 등재했다.

한국형 중이온 가속기 ‘라온’이 일본의 자포늄에 이어 새로운 입자 ‘코리아늄’이 탄생 될 것인가 대해 세계의 이목이 집중되고 있다.

중이온 가속기란?

중이온 가속기는 수소보다 무거운 입자(탄소, 우라늄 등)들을 이온화하여 가속화한다. 이 후 가속입자를 표적과 충돌시키면 핵반응을 일으켜 다양한 희귀동위원소가 생성된다. 쉽게 말해 중이온가속기란 무거운 금속 이온을 아주 빠른 속도로 가속시키는 장치다.

빠르게 가속시킨 금속 이온을 다시 금속판에 충돌시키면 희귀한 방사성 동위원소가 대량 생성된다. 금속 이온을 중이온가속기에 한 번 충돌시킬 때, 약 5000개 이상의 새로운 입자가 만들어지게 된다. 즉, 중이온 가속기를 이용하면 금속이온 내에 있는 희귀동위원소를 발견할 수 있다. 희귀동위원소는 동위원소 중에서 자연계에 존재하지 않으며 수명이 짧은 불안정한 원소를 말한다. 희귀동위원소 발견을 이용해 새로운 원소를 만들어 내거나 물질의 성질을 연구할 수 있다.

기초과학연구원(IBS)에서 발표한 희귀동위원소 생성방법에 따르면 중이온 가속기를 이용해 희귀동위원소를 생성하는 방법은 2가지가 있다. 첫 번째 방법은 온라인 동위원소 분리장치(ISOL)를 이용해 가벼운 원소이온을 가속화하여 무거운 원소 표적에 충돌시키는 방법이다. 이는 많은 양의 희귀동위원소를 생성하는 방법이다.

두 번째는 비행파쇄 동위원소 분리장치(IF)을 이용 무거운 원소이온을 가속하여 가벼운 원소 표적에 충돌시킨다. 두 번째 방법은 다양한 희귀동위원소를 생성하는 방법이다. 중이온 가속기는 이러한 두 가지 방법으로 희귀동위원소를 생성한다.

해외 가속기 현황

현재 미국은 가속기 산업에서 부동의 1위를 차지하고 있다. 미국이 1900년대부터 현재까지 가속기 산업에서 강세를 유지하고 있는 이유는 기술력을 뒷받침해주는 수많은 가속기 기관과
예산 투자 및 인력공급으로 꼽을 수 있다. 미국은 일리노이주 Argonne National Laboratory(ANL)를 포함 총 7개의 가속기 기관을 보유하고 있다. 미국 뉴욕주 Brookhaven National Laboratory(BNL), 일리노이주 시카고 인근 바타비아 Fermi National Accelerator Laboratory(Fermilab), 버지니아주 뉴포트뉴스시 Thomas Jefferson National Accelerator Facility(JLab), 미시건주 이스트 랜싱 미시건주립대 내 National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL), 캘리포니아 멜론파크 Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), 캐나다 벤쿠버 Tri-University Meson Facility(TRIUMF) 등이다.

미국의 가속기 기관 중 대표적인 연구시설에 대해 알아보자. 미국 ‘ANL’은 클론장벽 부근의 중이온을 가속시키는 세계최초의 초전도 선형가속기인 ‘ATLAS’ 연구시설을 보유하고 있다. 또한 세계 최고 양성자 빔 전류인 동위원소 온라인(ISOL)시설을 보유하고 있다. 일리노이주 시카고에 위치한 ‘Fermilab’에선 1995년 톱쿼크 발견, 1997년 보텀쿼크 발견, 2000년 타우중성미자라는 새로운 입자를 발견하였다. 이 밖에도 미국은 많은 연구성과를 보유하고 있다. 이러한 연구성과와 시설을 볼 때 미국이 왜 가속기 산업 부동의 1위인지 알 수 있다.

미국 외에도 유럽에서 많은 국가들이 가속기를 보유중이며, 지속적인 투자와 인력공급이 이루어지고 있다. 유럽의 가속기 현황으로 러시아는 Budker Insitute of Nuclear Physics(BINP) 포함 3개, 프랑스 French Atomic Energy Commission(CEA) 포함 2개, 독일 Deutsches Elektronen Syschrotron(DESY) 포함 2개, 이탈리아 Instituto of Nazionale di Fisica Nuclere(INFN) 등이 있다.

중국과 일본 또한 각각 2개의 가속기 기관을 보유 중이다. 일본은 미국과 함께 가속기 산업을 이끌어가고 있다. 일본의 대표적인 중이온가속기는 Rikagaku Kenkyusho(RIKEN)이다. 일본은 RIKEN을 이용해 2004년 자포늄(Japonium)을 발견했다. 자포늄(Japonium)은 113번째 원소로 등록되었다. RIKEN이 1917년에 설립된 것을 보았을 때, 2021년 설립될 한국형 중이온가속기 ‘RAON’과 100년 이상 차이 나는 것을 볼 수 있다. 이는 한국과 일본의 중이온가속기 기술력이 단순 비교해 100년 이상의 차이를 보이고 있다는 것을 나타낸다.

가속기 산업 부동의 1위 미국은 가속기 산업에 매년 약 12억9천만 달러(한화 약 1조3천억 원)를 투자하고 있으며, 약 1만7천여 명의 인력이 동원 되고 있다. 기초과학연구원(IBS)은 한국형 중이온가속기(RAON)를 구축하는데 약 1조 4,300억 원의 사업비가 필요할 것으로 보고하였다. 2021년 예정된 기간에 ‘라온’이 구축되었을 때 새로운 희귀동위원소를 발견하기 위해서는 구축사업비 대비 중이온 가속기 산업에 대한 적절한 투자 역시 절대적으로 필요하다.

▲ 중이온건설구축사업단에서 개발한 RFQ 선형가속기의 모습. 운전 주파수 81.25MHz, 길이 5m, 지름 1m의 크기의 RFQ 선형가속기는 빔 가속을 위해 전기장의 세기를 조절할 수 있다.
▲ 중이온건설구축사업단에서 개발한 RFQ 선형가속기의 모습. 운전 주파수 81.25MHz, 길이 5m, 지름 1m의 크기의 RFQ 선형가속기는 빔 가속을 위해 전기장의 세기를 조절할 수 있다.

한국형 중이온 가속기 ‘RAON’

한국형 중이온가속기 ‘라온(RAON)’은 국제과학비즈니스벨트에 설치되는 대형 연구시설이다. 한국형 중이온 가속기 RAON의 차별화된 특징으로 초전도 선형가속관을 이용해 중이온을 최고 광속의 50%까지 가속할 수 있다는 것이다.

중이온가속기에는 앞의 설명과 같이 온라인 동위원소 분리장치(ISOL)와 비행파쇄 동위원소 분리장치(IF) 두 가지 방식으로 나누어져있다. 온라인 동위원소 분리장치(ISOL)는 양성자를 우라늄과 같은 거대한 표적 핵에 충돌시킬 때 표적이 깨지며 발생한 동위원소를 빔으로 이용하는 것이다. 비행파쇄 동위원소 분리장치(IF)는 빔의 쪼개짐으로 인한 희귀동위원소 빔을 생성하여 다양한 종류의 희귀동위원소를 생성하는 방법이다.

기초과학연구원(IBS) 중이온가속기 건설구축사업단 권영관 박사는 “한국형 중이온가속기(RAON)의 가장 큰 우수성은 ISOL과 IF 두 가지 방식을 결합하여 아직 발견되지 않은 불안정한 희귀동위원소를 발견할 수 있는 가속기가 될 것”이라고 말했다.

한국이 미국, 일본과의 100년 이상 차이 나는 기술력 수준을 뛰어넘을 수 있는 방법은 2021년 완공될 ‘라온’이 ISOL과 IF방식을 결합한 세계최초의 중이온가속기가 되는 것이다. 두 가지 방식을 결합한 중이온가속기가 개발되어 새로운 원소 ‘코리아늄’이 발견된다면 기술력의 차이가 100년에서 50년, 10년으로 줄어들 것으로 예상된다.

정순찬 기초과학연구원 중이온가속기 건설구축사업단장은 “중이온가속기 중에서도 최고의 사양을 자랑하는 가속기를 개발 할 것”이라며, “우리나라를 중이온가속기구축을 넘어 다른 분야로의 활용까지 세계를 선도하는 선두그룹으로 발전시키겠다”는 포부를 밝혔다.

‘라온’이 2021년까지 무사히 설립되기 위해선 많은 인력공급과 예산지원이 필요하다. 한국은 꾸준히 대형연구시설에 대한 투자가 늘어나고 있는 추세이다. 하지만 2012년 대형연구시설 투자비용 4천290억 원과 미국의 대형연구시설 투자비용인 4조원과 비교했을 때, 약 10배의 차이를 보이고 있다. 앞으로 한국은 ‘라온’을 기반으로 가속기 산업의 리더가 되기 위해서 대형연구시설 투자비용을 더욱 늘릴 필요가 있다.

▲초전도가속시험 장치시스템 구성도
▲초전도가속시험 장치시스템 구성도

2021년 라온(RAON) 완공

최근 ‘RAON’설립에 대한 희소식이 들려왔다. 2017년 12월 28일 과학기술정보통신부는 “기초과학연구원(IBS) 중이온가속기건설구축사업단은 한국형중이온가속기 라온(RAON)의 중이온빔 초전도가속시험에 성공했다”고 밝혔다.

‘초전도가속시험’은 가속장치의 전단부를 구성하는 ECR이온원과 RFQ가속기, QWR초전도가속모듈 1기 그리고 RF(고주파)전력시스템·제어시스템·빔 진단시스템 등 제반설비들을 통합한 시스템에서 중이온빔의 인출 여부를 확인하는 시험이다. 초전도가속시험의 성공은 중이온가속기가 정상적으로 작동할 것이라는 좋은 소식이다.

중이온가속기 개발과정에서 중요한 기술 중 하나인 전단부 초전도가속시험 성공과 중이온빔 정밀제어 역량 확보로 2021년 설립예정인 ‘RAON’이 예상대로 완공될 가능성이 높아졌다. 또한 향후 가속장치 구축을 본격화할 수 있게 되었다는 의미다.

라온(RAON)을 이용한 인류의 미래 발전

한국형 중이온가속기(RAON)는 핵과학, 원자 및 분자과학, 물성과학, 의생명과학 총 4가지의 연구 분야에 활용될 수 있으며, 앞으로 잠재되어 있는 연구 분야의 활용까지 확산이 가능하다. 핵과학 연구에서는 라온(RAON)의 되튐분광장치(KOBRA), 대수용다목적핵분광장치(LAMPS), 핵데이터생산장치(NDPS)를 이용할 수 있다. 이를 통해 우주원소의 기원 및 별의 진화 연구, 핵 구조 및 핵력의 본질 규명 연구, 차세대 원자력 연구개발의 기본요소인 핵반응/핵 구조 연구를 할 수 있게 된다.

라온(RAON)을 통해 새로운 원소의 발견과 원소 생성의 근본원리를 밝혀 핵과학의 새로운 지평을 열게 될 것이다.

원자 및 분자과학 분야에서는 질량측정장치(MMS)와 동축레이저분광장치(CLS)를 이용한 희귀동위원소 질량 정밀측정 기술 및 원자조작 기술개발 및 미세 ‘원자핵구조’ 측정기술 개발이 이루어 질 것이며, 원자물리 기본상수를 정밀하게 측정하는 것이 가능해 질 것이다.

물성과학 연구에서는 뮤온스핀완화기(μSR)를 이용하여 고온초전도체, 반도체, 나노자성체 및 위상절연체 등의 신소재 물질의 특성을 연구하고, 원자핵 하나의 전자기효과도 측정할 수 있는 초민감 물성 측정 장치 개발할 수 있을 것으로 전망된다.

의생명과학 분야에서는 빔조사장치(BIS)를 이용 인류의 가장 큰 질병인 암을 희귀동위원소를 이용해 암 치료법을 개발할 수 있다. 이는 암으로 인해 고통 받는 인류에게 큰 희망이 될 것이며, 암으로 인한 사망자 수가 현저히 줄 것으로 예상된다. 또한 앞으로 희귀동위원소 육종법이 개발될 것으로 많은 의료기관 전문가 및 과학자는 예상하고 있다.

부디 한국형 중이온가속기 ‘라온(RAON)’이 예정된 2021년까지 성공리에 완공돼 한국이 기초과학 강국으로 발돋움 할 수 있기를 기대한다.

* 참고

KTV 국민방송 케이블방송
http://risp.ibs.re.kr/orginfo/intro_project.do
http://risp.ibs.re.kr/orginfo/inter_organ.do
http://kin.naver.com/qna/detail.nhn
http://www.itnews.or.kr/?p=24569
과학기술정보통신부

[전북대 서정욱 학생기자 wjddnr5543@naver.com]