한국원자력연구원이 국내 최초로 3월부터 원자력 및 핵융합 재료 연구를 위한 철 이온빔 조사 서비스를 개시한다고 19일 밝혔다.
원자로·핵융합로에서 방출되는 고에너지 중성자는 핵연료 피복관과 구조재료 등에 손상을 줄 수 있어 재료의 손상 정도 관련 연구가 필수다.
다만 연구용 원자로나 중성자발생장치로 중성자를 직접 조사하는 시험은 상당한 시간·비용이 소요돼 중성자와 특성이 유사한 이온 조사 연구가 활발하다.
원자력연은 무거운 이온일수록 더 큰 손상을 빠르게 유발할 수 있다는 점을 고려, 2019년 중이온빔조사시설(KAHIF)을 구축했다. 이후 2022년부터 아르곤, 헬륨 등 중이온 빔 조사 서비스를 제공하고 있다.
이번에 서비스를 개시하는 철 이온빔 조사는 가동 중 원전과 차세대 원자로, 핵융합로 및 응용산업에서 널리 사용되는 철강 재료 손상을 신속·정밀하게 평가할 수 있는 방법이다.
불필요한 물리·화학 반응이 없어 순수한 조사 손상 영향 평가가 가능하다. 이 떄문에 원자력·핵융합 분야에서 철 이온빔 수요가 꾸준히 증가했지만, 철은 기체화하기 어렵고 이온 추출이 까다로워 기술 구현이 쉽지 않았다.
이에 원자력연은 금속 원소를 이온화해 가속할 수 있는 금속이온원 장비를 구축해 국내 최초로 철 이온빔 가속 및 조사 기술을 확보했다.
철 화합물을 기체 상태로 이온화한 후, 전자기장으로 원하는 이온만 선별할 수 있는 이극전자석을 활용해 철 이온(Fe13+)을 초당 1000억 개 추출·조사하는 데 성공했다.
가속된 철 이온 에너지와 재료 손상 정도를 확인한 결과, 경수형 원자로가 전 주기 운전했을 때 발생하는 손상 수준인 3dpa(방사선 손상 표시 단위)를 하루 만에 실험할 수 있음을 확인했다. 이는 여타 중성자조사시설과 비교시 국내 최고 수준이다.
철 이온빔 조사서비스 신청은 내달부터 원자력연 홈페이지에서 가능하다.
원자력연은 확보한 철 이온빔 조사 기술을 바탕으로 중성자 조사와 이온빔 조사 비교 데이터베이스(DB)를 구축해 가동 중 원전은 물론, 차세대 원자로와 핵융합로 주요 재료 개발에 기여할 계획이다.
이동원 핵물리응용연구부장은 “이번 연구는 해외 시설에만 의존하던 국내 연구자들을 위한 오아시스가 될 것”이라며 “철 이온에서 나아가 니켈 등 고난이도 이온원 추가 구축과 고온 시험 환경 확보 등 세계적 수준의 이온빔 조사 서비스 제공을 위해 노력하겠다”고 밝혔다
한편 이번 연구는 원자력 및 핵융합 재료 연구 활성화를 위해 2022년부터 과학기술정보통신부 '핵융합선도센터(R&D)' 과제를 통해 수행했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
