IBS, 중이온가속기 '라온'에 고온초전도전자석 탑재...입자가속기 새 장 연다

중이온가속기 라온이 입자가속기 가운데 처음으로 고온 초전도 전자석을 탑재한다. 탑재에 이은 적용에 성공하면 전 세계 차세대 입자가속기에 고온 초전도 전자석 채택이 잇따를 전망이다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철) 중이온가속기건설구축사업단은 라온 중이온가속기의 비행파쇄분리장치 시스템(IF)에 자체 개발한 고온초전도전자석 탑재를 추진한다고 20일 밝혔다.

IBS, 중이온가속기건설구축사업단이 만든 고온초전도사극자석 시제품
IBS, 중이온가속기건설구축사업단이 만든 고온초전도사극자석 시제품

탑재할 전자석은 사극자석 여섯 기, 육극자석 한 기다. 이미 시제품 개발과 성능 시험을 성공적으로 마치고 본제품 제작에 들어갔다.

전자석은 입자빔의 방향을 바꾸고 초점에 모으거나 퍼트리는 등 빔을 정밀 제어하는 역할을 한다. 전력 효율이 낮고 방사선 발열을 잘 견디는 것이 핵심 요건이다.

세계 각국은 열에 강한 산화마그네슘 절연재 기반 '광물절연전선(MIC)' 전자석을 가속기에 주로 활용했다. 최근에는 고온초전도전자석이 대안으로 부상했지만 활용은 제한적이었다.

고온초전도전자석은 MIC 전자석 대비 초기 투자비용에 큰 차이는 없지만 전력 소모량은 10분의 1에 불과하다. 크기와 무게도 MIC 대비 20% 이하다.

사업단은 한국전기연구원 초전도연구센터와 고온초전도 사극자석을 공동 개발했고, 2017년 1월에 시제품도 완성했다. 올 연말부터는 고온초전도 사극, 육극자석 본제품 제작에 들어간다. 2021년에 완성해 설치 및 시운전에 적용할 계획이다.

시제품 주요 사항
시제품 주요 사항

고온초전도체 재료는 초전도 전력기기와 전선에 쓰이는 '희토류 바륨구리산화물'이다. 이 재료는 절대온도 90K(영하 약 183도) 이하에서 초전도 상태를 유지한다. 기존 저온초전도체는 절대 온도 9K(영하 264도) 이하 극저온 환경에서만 초전도현상을 보였다. 사업단은 고온초전도전자석 7기를 영하 약 233도인 40K 저온에서 운영할 예정이다.

권영관 장치구축사업부장은 “라온 중이온가속기 구축은 전에 없던 새로운 문제들에 맞닥뜨리며 해결해가는 과정”이라며 “고에너지〃고출력 빔을 고온초전도전자석으로 제어하는 기술도 전 세계 차세대 입자가속기들에 널리 활용될 전망”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com