"우주생성 비밀 찾는다"…중이온가속기 빔인출 현장 가보니

기초과학연구원 중이온가속기 라온(RAON) 구축라온 1조5184억원 투입된 초대형 '과학 연구시설'올해 첫 빔 인출…2024년 10월부터 연구 본격활용

기초과학연구원(IBS)이 구축한 중이온가속기 라온(RAON·Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiments). 가속기동 최대길이만 550m에 달한다. / 영상=기초과학연구원(IBS)

지난 15일 대전시 유성구 국제과학로1 기초과학연구원(IBS) 중(重)이온가속기연구소. 건물 외관은 여느 연구동과 비슷했지만 내부로 발길을 옮기자 모든 장비들이 숫자와 데이터로 관리되고 있었다. 중이온 가속관은 영하 269℃로 냉각됐고, 가속 구간은 중이온 유출을 대비해 산소 농도 21%가 화면에 실시간 나타났다. '기초과학 1번지'를 목표하는 중이온가속기 연구 현장의 모습이었다.

중이온가속기는 아르곤·우라늄과 같은 무거운 이온을 가속(초속 30만㎞)시켜 특정 입자나 물질에 충돌시키는 시설이다. 이를 통해 현재까지 발견되지 않았거나 자연 상태에 존재하지 않는 '희귀 동위원소'(Rare Isotope)를 생성시킬 수 있다. IBS의 중이온가속기 라온(RAON)이란 이름도 이처럼 희귀 동위원소를 가속한다는 의미가 담겼다.

기초과학연구원(IBS)이 구축한 중이온가속기 라온(RAON·Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiments)에서 지난달 첫 번째 빔이 인출됐다. 빔이 인출되는 모습. / 영상=기초과학연구원(IBS)

라온은 물질을 구성하는 최소 단위인 원자와 그보다 작은 원자핵과 양성자를 들여다볼 수 있다. 특히 미국·프랑스·독일·중국·일본·캐나다 등 이미 중이온가속기를 보유한 국가들보다 경쟁력을 지닌다. 이들 국가는 가벼운 이온을 무거운 표적에 충돌시키는 온라인 동위원소 분리방식(ISOL)이나 그 반대인 비행파쇄방식(IF) 중 하나를 채택하고 있다. 라온은 세계 최초로 이 두 가지 방식을 결합했다. 결국 희귀 동위원소를 발견할 가능성이 더 커지는 것이다.

홍승우 중이온가속기연구소장은 "라온은 세계 최고의 동위원소 빔 생산이 가능해 물질의 본질 이해부터 우주생성 원리를 규명할 수 있다"며 "이와 함께 꿈의 신소재, 미래 청정 에너지원, 암 치료 등 광범위한 연구를 진행할 수 있다"고 밝혔다.

대전시 유성구 국제과학로1 기초과학연구원(IBS) 중이온가속기연구소 연구 현장. 왼쪽 상단부터 시계방향으로 중앙제어센터, 극저온설비동, 저에너지 가속장치, 구간 내 산소농도 관리 상황. / 사진=김인한 기자

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1조5184억원 연구장비 '라온' 첫 빔 인출…2024년 10월 활용

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라온은 2010년 개념 설계부터 1조5184억원이 투입된 초대형 과학 연구시설이다. 지난해 5월 시설이 완공됐다. 라온 가속장치는 저에너지 구간(가속모듈 54기, 전체 길이 106m)과 고에너지 구간(가속모듈 48기, 전체 길이 180m)으로 나뉜다. 현재까진 저에너지 구간에서만 빔을 인출했다. 빔 인출은 국내 기술만으로 설계·제작한 시설과 장비들이 연계해 작동됐다는 점에서 의미가 크다.

앞서 IBS 연구진은 지난달 라온을 통해 '아르곤'을 가속했고, 저에너지 가속 구간에서 첫 번째 빔 인출 시험을 성공한 바 있다. 연구진은 두 번째 빔 인출 실험을 이르면 11월 내 착수할 예정이다. 라온은 내년 3월까지 반복적인 빔 인출 등을 통한 시운전을 마치고, 준비과정을 거쳐 2024년 10월 과학 연구에 본격 활용될 전망이다.

권면 기초과학연구원(IBS) 중이온가속기구축단장이 희귀동위원소생성장치 앞에서 관련 내용을 설명하고 있다. / 사진=김인한 기자

권면 중이온가속기구축단장은 "라온은 해외 시설과 비교해도 더 희귀한 동위원소를 만들 수 있는 독창성을 보유했다"며 "빔 인출을 본격화할 경우 국내외 연구자들이 이용해 새로운 과학적 발견이 이뤄질 것"이라고 강조했다.

다만 IBS는 아직 구축하지 못한 고에너지 구간은 올해부터 2025년까지 선행 연구개발을 거쳐 시운전을 시도한다는 계획이다. 고에너지 구간은 저에너지 구간보다 크기가 크고 민감도도 높아 가속관 시제품 구현, 성능 검증 등이 더 필요하다는 입장이다.

기초과학연구원(IBS) 중이온가속기 라온 경쟁력. 타 국가는 가벼운 이온을 무거운 표적에 충돌시키는 온라인 동위원소 분리방식(ISOL)이나 그 반대인 비행파쇄방식(IF) 중 하나를 채택하고 있다. 하지만 라온은 세계 최초로 이 두 가지 방식을 결합했다. 결국 희귀 동위원소를 발견할 가능성이 더 커지는 것이다. / 사진=기초과학연구원

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김인한 기자 science.inhan@mt.co.kr

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