원자력연, 3월부터 원자력·핵융합 재료 '철 이온빔' 조사 서비스

초당 1000억개 철 이온 조사(照射), 철강 재료 정밀 평가 가능

한국원자력연구원이 국내 최초로 원자력 및 핵융합 재료 연구를 위한 철(Fe) 이온빔 조사(照射) 서비스를 3월부터 개시한다고 19일 밝혔다.

철 이온빔 조사는 가동 중인 원자력발전소와 차세대 원자로, 핵융합로 및 응용산업에서 널리 사용되는 철강 재료의 손상을 신속하고 정밀하게 평가할 수 있는 효과적인 방법이다.

철강 재료에 동일한 철 이온빔을 쬐게 하면 다른 이온빔을 조사할 때 나타나는 불필요한 물리·화학적 반응이 없어 순수한 쬠으로 인한 손상 영향 평가가 가능하다.

한국원자력연구원 연구팀은 투과전자현미경을 이용해 시편에 조사된 철 이온의 투과 깊이, 농도 등을 측정해 철 이온 에너지, 입자선속, 조사손상량 등에 대해 검증했다. 한국원자력연구원 제공

이런 장점 때문에 원자력 및 핵융합 분야에서 철 이온빔 수요는 꾸준히 증가해 왔지만, 철은 기체로 변화시키기 어렵고 이온 추출이 까다로워 기술 구현이 쉽지 않았다.

이온은 원자가 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 입자로, 고온에서 원자를 기체화한 후 전기장을 이용해 생성된다. 가속된 이온을 재료에 쬐면 중성자 조사손상과 유사한 결과를 얻을 수 있다.

원자력연구원은 무거운 이온일수록 더 심한 손상을 빠르게 유발할 수 있다는 점을 고려, 2019년 중이온빔조사시설(KAERI Heavy-ion Irradiation Facility·KAHIF)을 구축했다. 이후 2022년부터 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 중이온 빔 조사 서비스를 제공해 왔다.

최근 원자력연구원은 금속 원소를 이온화해 가속할 수 있는 금속이온 원 장비를 구축, 국내 최초로 철 이온빔 가속·조사 기술도 확보했다.

고체 상태인 철 화합물을 기체 상태로 이온화한 후, 전자기장으로 원하는 이온만 선별할 수 있는 이극전자석을 활용해 철 이온(Fe13+)을 초당 1000억 개 추출해 쬐게 하는 데 성공했다.

또한, 가속된 철 이온의 에너지와 재료를 손상시킨 정도를 확인한 결과 경수형 원자로가 전 주기 운전했을 때 발생하는 손상 수준인 3dpa(디스플레이스먼트 퍼 아톰)를 하루 만에 실험할 수 있음을 확인했다. 이는 여타의 중성자조사시설과 비교했을 때 국내 최고 수준이다.

이번 연구는 원자력 및 핵융합 재료 연구 활성화를 위해 2022년부터 과학기술정보통신부의 '핵융합선도센터(R&D)' 과제를 통해 수행했다. 철 이온빔 조사 서비스 신청은 3월부터 한국원자력연구원 홈페이지에서 가능하다.

원자력연구원은 확보된 철 이온빔 조사 기술을 바탕으로 중성자 조사와 이온빔 조사의 비교 데이터베이스(DB)를 구축해 가동 중인 원전은 물론, 소형모듈원자로(SMR)·용융염원자로(MSR)·소듐냉각고속로(SFR) 등 차세대 원자로와 핵융합로 주요 재료 개발에 기여할 계획이다.

이동원 원자력연구원 핵물리응용연구부장은 "이번 연구는 해외 시설에만 의존하던 국내 연구자들을 위한 오아시스가 될 것"이라면서 "철 이온에서 나아가 니켈 등 고난이도 이온 원 추가 구축과 고온 시험 환경 확보 등 세계적 수준의 이온빔 조사 서비스 제공을 위해 노력하겠다"고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr