한국원자력연구원(이하 원자력연)이 국내 최초 원자력 및 핵융합 재료연구를 위한 철(Fe)이온빔 조사 서비스를 내달부터 개시한다.
원자로 손상평가 필수 기술
원자로나 핵융합로가 방출하는 고에너지 중성자는 핵연료 피복관과 구조재료 등 핵심 부품에 손상을 초래할 수 있다.
이 때 재료의 손상 정도를 평가하기 위한 연구가 필요하지만, 연구용 원자로나 중성자발생장치 등으로 중성자를 직접 조사하는 시험은 상당한 시간과 비용이 소요되기 때문에 해외에서는 중성자와 유사한 물리적 특성을 가진 이온을 조사하는 연구를 진행 중이다.
고온에서 원자를 기체화한 후 전기장을 이용해 이온을 생성하고, 이를 가속시켜 재료에 조사하면 중성자 조사손상과 유사한 결과를 얻을 수 있다.
이에 원자력연은 무거운 이온일수록 더 큰 손상을 빠르게 유발할 수 있다는 점을 고려해 2019년 중이온빔조사시설(KAHIF)을 구축하고, 2022년부터 아르곤, 헬륨 등 중이온 빔 조사 서비스를 제공하고 있다.
철 이온빔 조사는 가동 중인 원전, 차세대 원자로, 핵융합로 및 응용산업에서 널리 사용되는 철강의 손상을 신속하고 정밀하게 평가할 수 있는 효과적인 방법이다.
철강 재료에 동일한 철 이온빔을 조사하면 다른 이온빔을 조사할 때 나타나는 불필요한 물리·화학적 반응이 없어 순수한 조사 손상 영향평가가 가능하다.
때문에 원자력 및 핵융합 분야에서 철 이온빔 수요가 꾸준히 증가했지만, 철을 기화하기 어렵고 이온 추출도 까다로워 기술 구현이 쉽지 않았다.
철 이온빔 조사 서비스 개시
원자력연은 금속 원소를 이온화해 가속할 수 있는 금속이온원 장비를 구축, 국내 최초로 철 이온빔 가속 및 조사 기술을 확보했다.
이는 고체 상태의 철 화합물을 기체로 이온화한 후 전자기장으로 원하는 이온만 선별할 수 있는 이극전자석을 활용한 것으로, 원자력연은 철 이온을 초당 1000억 개 추출 조사하는 데 성공했다.
또 가속된 철 이온의 에너지와 재료를 손상시킨 정도를 확인한 결과 경수형 원자로가 전 주기 운전했을 때 발생하는 손상 수준인 3dpa를 하루 만에 실험할 수 있음을 확인했다.
이는 여타 중성자조사시설과 비교할 때 국내 최고 수준이다.
원자력연은 이번에 확보한 기술을 바탕으로 중성자 조사와 이온빔 조사의 비교 데이터베이스를 구축해 가동 중 원전은 물론 소형모듈원자로(SMR), 용융염원자로(MSR), 소듐냉각고속로(SFR) 등 차세대 원자로와 핵융합로의 주요 재료 개발에 기여할 계획이다.
이동원 원자력연 핵물리응용연구부장은 “이번 연구는 해외 시설에 의존하던 국내 연구를 위한 오아시스가 될 것”이라며 “철 이온에서 나아가 니켈 등 고난이도 이온원 추가 구축과 고온 시험환경 확보 등 세계적 수준의 이온빔 조사 서비스를 확보하겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 원자력 및 핵융합재료 연구 활성화를 위해 2022년부터 과학기술정보통신부 ‘핵융합선도센터(R&D)’ 과제를 받아 수행했다.
