한국원자력연구원이 국내 최초로 원자력 및 핵융합 재료 연구를 위한 철(Fe) 이온빔 조사(照射) 서비스를 시작한다.
한국원자력연구원(이하 원자력연)은 국내 최초로 철 이온빔 가속 및 조사 기술을 확보해 내달부터 서비스를 개시한다고 19일 밝혔다.
원자로 및 핵융합로는 가동 과정에서 발생하는 고에너지 중성자로 인해 손상을 입을 수 있다. 손상 정도를 평가하기 위한 연구가 필요하지만, 중성자를 직접 재료에 쬐는 시험은 비용이 많이 들 뿐더러 오랜 시간이 소요된다.
이온은 중성자와 유사한 물리적 특성을 가진 입자다. 원자가 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠면 이온 입자가 된다. 가속된 이온을 재료에 쬐면 중성자로 인한 손상과 유사한 결과를 얻을 수 있다. 무거운 이온일수록 재료에 더 심한 손상을 입혀 실험 결과를 빠르게 확인할 수 있다.
원자력연은 2019년 처음 중이온빔조사시설(KAHIF)을 구축한 후 2022년부터 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등 중이온 빔 조사 서비스를 제공 중이다.
3월부터는 범위를 넓혀 철 이온빔 서비스를 시작한다. 가동 중인 원전과 차세대 원자로, 핵융합로 및 응용산업에서 사용하는 철강 재료의 손상을 신속하고 정밀하게 평가할 수 있을 것으로 기대된다. 철강 재료에 철 이온빔을 조사하면 다른 이온빔을 쬘 때 나타나는 불필요한 물리·화학적 반응 없이 순수한 환경에서 손상 정도를 평가할 수 있다.
원자력연은 금속 원소를 이온화해 가속할 수 있는 금속이온원 장비를 구축, 국내 최초로 철 이온빔 가속 및 조사 기술을 확보했다. 고체 상태인 철 화합물을 기체 상태로 이온화한 후 전자기장으로 원하는 이온만 선별하는 기술을 통해 철 이온을 초당 1000억개 추출하는 데 성공했다.
가속된 철 이온이 재료를 얼마나 손상시켰는지 확인한 결과, 경수로 원자로가 전 주기 운영했을 때 발생하는 손상 수준인 3dpa(방사선의 손상 표시 단위)를 하루만에 실험할 수 있음을 확인했다. 원자력연은 "다른 중성자조사시설과 비교할 때 국내 최고 수준"이라고 설명했다.
개발한 철 이온빔 조사 서비스는 3월부터 원자력연 누리집을 통해 신청할 수 있다. 이를 통해 쌓은 실험 데이터는 향후 원전, SMR(소형모듈원자로), SFR(소듐냉각고속로) 등 차세대 원자로와 핵융합로의 주재료를 개발하는 데 활용할 수 있을 것으로 본다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 '핵융합선도센터' 과제의 지원을 받아 2022년부터 수행됐다.