1조5000억 들인 라온 중이온가속기 전체 가속구간 빔 인출 첫 성공

저에너지 전체 가속구간 빔 시운전 첫 성공
세상에 없던 새로운 동위원소 발견 첫 걸음
성능 최적화 거친 뒤 내년 하반기부터 운영
고에너지 구간 가속장치 개발은 아직 멀어

라온 중이온가속기 시설이 있는 중이온가속기연구소 전경. /과학기술정보통신부

새로운 입자를 찾기 위해 만든 라온(RAON) 중이온가속기의 저에너지 전체 가속구간 빔 시운전이 드디어 성공했다. 2010년부터 1조5000여억원을 투입한 한국형 초전도 중이온가속기 프로젝트의 첫 관문을 넘은 셈이다. 하지만 실질적인 성과를 위해 필수적인 고에너지 구간 가속장치 개발은 아직 시작도 못한 상태다.

과학기술정보통신부와 기초과학연구원 중이온가속기연구소는 지난 23일 라온의 저에너지 전체 가속구간에 걸친 빔 시운전에 성공했다고 29일 밝혔다.

라온은 2010년 개념 설계를 시작으로 1조5000여억원을 투입해 만든 세계 최고 수준의 초전도 중이온가속기다. 2021년 5월에 시설이 완공됐고, 핵심 장치인 초전도 가속기는 2021년 12월에 구축했다.

라온은 중이온을 가속해 표적에 충돌시킨 뒤 새로운 희귀 동위원소를 생성하는 시설이다. 새로운 동위원소를 만드는 과정에서 우주와 원소의 기원, 별의 진화 과정을 밝혀낼 실험 데이터를 획득할 수 있고, 반도체나 이차전지, 항암치료 등 소재·의료분야에 활용할 연구 성과를 얻을 수도 있다.

라온 중이온가속기 저에너지 초전도 가속장치의 모습. /과학기술정보통신부

과기정통부와 중이온가속기연구소는 2021년 12월 라온을 구축한 뒤 계속해서 빔 인출 시험을 진행했다. 작년 하반기에는 가속관 전단부(QWR 22기)의 빔 인출에 성공했고, 올해 3월부터는 후단부 가속관(HWR 102기)을 포함한 전체 초전도 가속관 124기에 대한 시운전을 진행했다.

빔 가속과 인출을 위해서는 초진공과 영하 270도 내외의 극저온 헬륨 냉각 상태를 유지하면서 초전도 가속관의 주파수, 빔 위상을 제어해야 한다. 가속관별로 고유의 특성에 맞는 가속 변수를 설정하는 등 까다로운 작업을 거쳐야 하는데 이번에 처음으로 전체 가속구간에 걸쳐 시운전에 성공한 것이다.

과기정통부에 따르면, 지난 23일 오전 11시 33분쯤 가속기 전 구간에 대한 빔 가속과 인출에 성공했고, 이후 추가적인 재현 실험을 통해 빔 에너지는 17.6MeV/u(핵자당 가속 에너지), 빔 전류는 21.3μA(마이크로 암페어·시간당 빔 전하량)에 도달했다.

과기정통부는 24일 국내 가속기 전문가 회의를 소집해 시운전 결과에 대해 검토했고, 26일 중이온가속기 사업추진위원회를 통해 최종 확정했다. 오태석 과기정통부 제1차관은 “시운전 성공은 그간 막대한 국가 예산이 투입된 한국형 초전도 중이온 가속기의 주요 장치와 설비들의 목표 성능 구현과 정합성을 확인한 차원에서 그 의미가 크다”며 “앞으로 성능 최적화 과정을 거쳐 내년 하반기부터 창의적이고 선도적인 국제공동 연구가 이곳에서 활발히 펼쳐질 수 있도록 다양한 정책적 노력을 다하겠다”고 말했다.

라온 중이온가속기 활용 분야를 정리한 표. /과학기술정보통신부

과기정통부는 시운전 결과를 토대로 가속시스템에 대한 성능 최적화, 각종 실험장치들과 연계 시운전 등을 진행할 계획이다. 또 가속기를 활용한 국내외 연구 제안서 선정 기준을 마련해 내년 하반기에는 본격적인 운영에 들어갈 계획이다.

다만 저에너지 구간 전체 가속에 성공했다고 해서 라온 프로젝트를 성공이라고 말할 순 없다. 더 중요한 고에너지 구간은 아직 시작도 못한 상태다.

라온은 1단계에서 양성자 빔을 우라늄 같은 무거운 원자에 충돌시켜서 쪼갠 뒤에 1차 저에너지 구간과 2차 고에너지 구간에서 각각 가속을 한다. 2차 고에너지 구간의 가속을 통해서 새로운 동위원소를 얻게 된다. 하지만 라온은 아직 고에너지 구간 가속장치가 만들어지지 않은 상태다.

과기정통부는 2025년까지 선행 연구개발(R&D)을 통해 고에너지 구간 가속관 시제품 성능을 구현하고, 이후 2단계 사업을 통해 고에너지 구간 본제품 제작과 설치에 나설 방침이다.

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