[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국원자력연구원은 국내 처음으로 원자력 및 핵융합재료 연구를 위한 철(Fe) 이온빔 조사 서비스를 다음달부터 본격 개시한다고 19일 밝혔다.
 
원자로 및 핵융합로에서 방출되는 고에너지 중성자는 핵연료 피복관과 구조재료 등 핵심 부품에 손상을 초래할 수 있어 재료 손상 정도를 평가키 위한 연구가 필요하지만 중성자를 직접 조사하는 시험은 상당한 시간과 비용이 소요된다.

이온은 원자가 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 입자로 가속된 이온을 재료에 조사하면 중성자 조사손상과 유사한 결과를 얻을 수 있으며 무거운 이온일수록 더 큰 손상을 빠르게 유발할 수 있다.
 
원자력연구원은 지난 2019년 중이온빔조사시설(KAERI Heavy-ion Irradiation Facility·KAHIF)을 구축한 뒤 2022년부터 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 중이온 빔 조사 서비스를 제공하고 있다.

연구원에 따르면 철 이온빔 조사는 가동 중인 원전과 차세대 원자로, 핵융합로 및 응용산업에서 널리 사용되는 철강재료의 손상을 신속하고 정밀하게 평가할 수 있는 효과적인 방법이다.

철강재료에 동일한 철 이온빔을 조사하면 다른 이온빔을 조사할 때 나타나는 불필요한 물리·화학적 반응이 없어 순수한 조사 손상 영향 평가가 가능하다.
 
이런 장점으로 원자력 및 핵융합 분야에서 철 이온빔 수요는 꾸준히 증가하고 있으나 철은 기체로 변화시키기 어렵고 이온 추출이 까다로워 기술 구현이 쉽지 않았다.

문제해결을 위해 연구원은 금속원소를 이온화해 가속할 수 있는 금속이온원 장비를 구축해 국내 처음으로 철 이온빔 가속 및 조사 기술을 확보했다.

이어 고체상태인 철 화합물을 기체상태로 이온화한 후 전자기장으로 원하는 이온만 선별할 수 있는 이극전자석을 활용해 철 이온을 초당 1000억 개 추출해 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.

철 이온빔 조사서비스 신청은 3월부터 한국원자력연구원 홈페이지에서 가능하다.

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

이동원 핵물리응용연구부장은 "이번 연구성과로 해외 의존에서 벗어나게 됐다"며 "철 이온에서 나아가 니켈 등 고난이도 이온원 추가 구축과 고온시험 환경 확보 등 세계적 수준의 이온빔 조사 서비스 제공을 위해 노력하겠다"고 말했다.


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