연구팀이 개발한 중성자 발생장치(핵물리응용연구부 김선호 책임연구원) / 사진. 한국원자력연구원

한국원자력연구원(이하 연구원)은 지난 9월 21일(목) 연구원 핵물리응용연구부 김선호 박사 연구팀이 국내에서 최고 수준의 고선량·이동형 중성자 발생장치를 개발했다고 전했다. 연구팀은 고에너지의 중수소 이온빔을 만드는 장치인 ‘ECR(Electron Cyclotron Resonance, 전자 사이클로트론 공명) 플라즈마원’과 발생된 이온을 가속하는 ‘가속부’를 새로 개발했다고 설명했다.

통상 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.

때문에 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.

중성자 발생장치 원격제어시스템 / 사진. 한국원자력연구원

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.

연구원은 연구팀이 개발한 장치가 1010n/s(Neutron per Second, 1초에 100억 개의 중성자 발생)의 고선량 중성자를 만들 수 있다고 전했다. 이는 기존 이동형 장치보다 10배 이상의 중성자를 생성해 검사 시간을 단축할 수 있는 것이다. 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.

해당 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.

한편, 연구팀에서는 현재 낮은 중성자 발생 선량 장치부터 산업화를 진행하고 있다. 그 첫 단계로 2023년 4월 성공적으로 연구소기업 큐빔솔루션㈜을 창업해 투자유치까지 성공했다.

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