원자력硏 “가속기 이용한 ‘비파괴 검사’…산업체에 개방·활용”

가속기를 이용한 중성자 영상검사 장치(비파괴 검사 기술)가 개발됐다. 이 장치는 앞으로 자동차, 우주, 방위산업 분야 산업체에 개방돼 현장에서 폭넓게 활용될 것으로 보인다.

사이클로트론 기반의 중성자 영상검사 장치 구축 개념도(위) 및 실제 모습(아래). 한국원자력연구원 제공

한국원자력연구원은 입자 가속기인 ‘사이클로트론’으로 중성자를 만들어 비과괴 검사를 실시, 선명한 영상을 얻을 수 있는 중성자 영상검사 장치 개발에 성공했다고 23일 밝혔다.

산업현장에선 제품의 품질관리를 위해 주로 비파괴 검사를 활용한다. 금속제품의 경우 엑스선 투과에 한계가 있어 분석이 어렵기 때문이다. 하지만 이 경우 중성자를 활용한 검사가 필요하고, 국내에서는 연구용 원자로인 하나로를 통해서만 중성자 검사가 가능한 제약이 따랐다.

이는 산업계가 적기에 중성자 영상검사를 활용하기 어려웠던 환경으로, 연구용 원자로 뿐 아니라 소형 가속기를 활용한 중성자 비파괴 검사가 개발돼 활용되는 해외 사례와는 사뭇 다른 사정이었다.

이러한 제약을 해소하기 위해 핵물리응용연구부 정봉기 박사 연구팀은 정읍 소재 연구원 첨단방사선연구소에서 운영하는 가속기 사이클로트론으로 중성자 영상검사 장치를 개발했다.

개발한 장치는 기존의 제약을 해소할 단초가 된다는 점에서 의의를 갖는다. 이 장치는 0.3㎜ 크기의 미세한 결함까지 확인할 해상도를 보여, 미국과 일본 등 해외 가속기 기반 영상검사 장치와도 견줄 수 있다. 또 최종 인허가 획득을 마쳐 즉시 활용할 수 있다는 점에서 장치 활용에 기대를 갖게 한다.

중성자는 수소와 리튬 등 가벼운 소재의 물질과 반응하고, 금속 등 무거운 물질을 투과할 수 있는 특성을 가졌다. 기존 엑스선으로 검출하기 어려웠던 결함을 찾아내거나, 금속 내부를 비파괴적으로 검사 진행이 가능하다는 이야기다.

(왼쪽부터) 문명국 책임연구원, 이동원 핵물리응용연구부장, 정봉기 선임연구원, 박정훈 사이클로트론응용연구실장, 이종철 선임연구원 등 사이클로트론 기반의 중성자 영상검사 장치 개발을 주도한 연구진이 모여 기념촬영을 하고 있다. 한국원자력연구원 제공

연구팀이 개발한 장치는 사이클로트론에서 발생한 양성자를 베릴륨(Be) 표적에 조사해 중성자를 발생시키는 원리로 작동한다. 사이클로트론의 부분 출력만으로 초당 1조개의 중성자가 발생하고, 최대 출력은 초당 50조개까지 발생한다.

이 과정에서 만든 중성자가 물체를 통과해 검출기에 반응하면서 발생한 빛으로 이미지 영상을 만드는 게 연구팀이 개발한 사이클로트론 기반 중성자 영상검사 장치의 주된 기능이다.

원자력연구원은 개발한 장치를 향후 자동차, 우주, 방위산업 분야 산업체가 비파괴 검사에 적극적으로 활용할 수 있게 개방할 계획이다. 장기적으로는 산업 현장에 직접 장치를 설치·활용할 수 있게 도울 방침이다.

연구팀의 연구 성과는 2020년부터 4년간 과학기술정보통신부 원자력융복합기술개발사업의 지원을 받아 원자력연구원 핵물리응용연구부, 중성자과학부, 사이클로트론응용연구실 등 3개 부서 연구진(융합연구팀)이 협업해 얻은 성과물이다.

이동원 핵물리응용연구부장은 “가속기 기반의 중성자 영상검사 기술이 향후 산업계와 국방 분야에서 폭넓게 활용될 수 있길 기대한다”며 “원자력연구원은 향후 대용량 고속 중성자 발생장치 개발로, 산업계의 요구에 부응하도록 노력하겠다”고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr