분과회 관련 주요 연구활동

가. 1970년대 후반 - 1980년대

(1) SNUT-79 토카막 프로그램 (서울대)

SNUT-79 토카막은 국내 최초의 핵융합 연구 장치이다. 1970년대 구 소련의 T-3 토카막 장치가 거둔 성과로 핵융합연구가 토카막으로 집중되는 세계적인 추세에서, 서울대학교 원자핵공학과 정기형 교수를 주축으로 SNUT-79(Seoul National University Tokamak-79)로 명명된 실험용 소형 토카막 장치 개발이 시작되었다. 1979년 개발이 시작된 본 장치는 1984년에 주장치의 최종 조립이 이루어졌다. 우리나라에서 처음으로 시도된 토카막 프로그램으로 핵융합분야의 인력양성 및 실험과 함께 학교 교육용 핵융합플라즈마 발생장치의 개발이라는 목적도 겸했던 이 장치를 이용하여 서울대학교는 토카막 장치의 운전, 제어 및 가열연구 등 핵융합 기초연구를 수행할 수 있었다.

서울대학교 원자핵공학과 정기형 교수와 대학원생(박사과정 인상렬, 석사과정 노승정)은 1979년 장치 개념설계와 공학설계를 시작해 1980년부터는 주장치 제작 단계에 들어갔다. 최소한의 핵심저변기술 정착과 비교적 고밀도(~1019m-3), 고온(~100eV)의 플라즈마의 발생을 고려하여 주반경 50cm, 부반경 20cm로 시작하였으며 진공, 배기 및 연료기체 주입장치를 포함하는 토러스형 진공용기, 리미터, 전원장치를 포함하는 토로이달 및 폴로이달 자기장계 그리고 이들을 중심으로 한 부대설비와 진단장치 등으로 이루어지도록 설계되어 있다. 1980년 말에는 토러스형 진공용기 본체 부분이 완성되어 진공용기에 대한 개략적인 진공 특성 확인 후, 7 턴의 OH 코일과 소규모 축전기 전원을 이용하여 수백 Torr의 진공에서 첫 플라즈마 발생 실험을 성공적으로 수행하였다[노승정 석사학위논문(1981년 2월) 참조]. 1982년에는 OH계통에 철심을 채택하고 리미터를 부착하는 등의 수정을 거쳐 주반경 65cm, 부반경 15cm인 토카막장치로 설계 변경하였으며 토로이달 자장코일이 일부가 제작되었고, 리미터를 부착하는 작업이 이루어졌다. 1983년부터 구리를 감아 만든 16개의 토로이달 자석들을 진공용기에 부착하였고, 1984년에는 철심 코어를 만들어 진공용기 도넛 안쪽에 넣고 관련 설비들을 부착하여 SNUT-79 주장치를 최종 조립하였다. SNUT-79는 1985년 300kJ 수준의 소규모 축전기 전원을 사용한 1차 운전실험을 통해 첫 플라즈마를 얻었다. 안타깝게도 SNUT-79는 예산 관계로 10MJ급의 토로이달 전자석 전원을 갖추지 못하게 되어 설계의 목표였던 플라즈마 전류, 자장, 밀도, 온도 값을 얻지 못하고 짧은 순간 방전을 시켜 보는 데 만족해야 했다. 이후 SNUT-79은 연구비 확보와 이에 따른 인프라 구축에 어려움을 겪게 되어 운영이 중단되었다. 이 장치를 제작하고 운영하는 과정에서 여러 명의 석사와 박사가 배출되었으며, 장치 개발과정에서 다양한 플라즈마 응용장치들이 연구되는 등의 성과를 이루었다. SNUT-79 프로그램은 우리나라 플라즈마 핵융합 연구에 이정표를 제시하였으며, 이를 통해 축적된 경험과 인력은 플라즈마 핵융합 연구에 큰 기여를 하고 있다. 현재 SNUT-79은 서울대학교에서 국가핵융합연구소로 이전 설치되어 전시용으로 활용되고 있다.

사진. SNUT-79 토카막 (현재 국가핵융합연구소에 전시되어 있는 사진임)

(2) KT-1 프로그램 (현, 한국원자력연구원)

1980년 한국원자력연구소에서 정문규 박사가 주축이 되어 ‘핵융합로 개념설계’에 착수하였다. 이어서 1981년 한국원자력연구소(현 한국원자력연구원)은 소형 토카막을 자체 개발하기로 결정하였다. 처음으로 제작하는 장치라는 점과 예산 규모를 감안하여 주반경 30cm 정도의 소형 토카막을 제작하기로 하였으며, 가능한 모든 사항을 자체 개발한다는 방향으로 추진하기로 하였다. 1982년 KT-1(KAERI TOKAMAK 1)이라고 명명하고 반경을 27cm, 부반경을 5cm로 확정하고 토로이달 및 폴로이달 자기장 코일까지의 설계를 끝냈다. 철심을 포함한 본체가 1985년에 완성되었으며 각 부품에 대한 개별 특성시험이 실시되었다. 1986년에 처음으로 KT-1의 플라즈마 발생실험이 실시되었다. 이때 TF 코일을 위해 마련한 전원은 10V, 250A급으로 TF 자기장 430G에서 실험하였고 OH(Ohmic Heating) 코일을 위한 전원은 5kV, 5kJ급의 캐패시터 뱅크(Capacitor Bank)였다. 주로 방전개시에 미치는 변수들에 대한 실험적 조사 연구가 실시되었는데, 사용기체인 수소의 압력 0.1mbar에서 0.01mbar까지에 걸쳐 방전이 가능하였으며 방전 일주전압이 800V 정도에 다다랐고 2.4kA의 플라즈마 전류를 얻었다. 높은 방전 일주 전압 때문에 당초 설계와는 다른 별도의 OH 코일을 사용하여야만 하였다. 1987년과 1988년에는 TF 자기장 전원으로 수 초 동작의 상용전원을 사용하여 자기장 값을 4300G로, OH 전원은 20kJ의 캐패시터 뱅크로 각각 설정하여 플라즈마 발생 실험을 계속하였다. 또한 TF 자기장을 실험적으로 보정하는 작업을 실시하였으며, TF 자기장과 외부 인가 전기장을 이용한 E×B 전이온화 계통을 개발하여 방전일주 전압을 3V까지 낮출 수가 있었다. 이 때, 플라즈마 전류는 10kA 까지, 수소 기체 압력은 0.01μbar에서 0.1mbar까지 동작범위를 크게 넓힐 수가 있었다. 이와 같이 주요 변수에 대한 방전 가능 영역이 넓어져 TF 값, 수소 압력, 플라즈마 전류, 방전 일주전압 사이의 상관관계가 깊이 조사되었으며 토로이달 구조의 방전에 대한 이론적 고찰의 기회를 갖게 되었다. 1988년 저 자기장 전원 완성 및 시운전을 거쳐 1991년에 TF 전원, OH 전원, 평형자기장 전원 등 전체 전원이 완성되었다. 1994년에는 플라즈마 제어기술이 완성되어 KT-1의 정상운전이 시작되었고, 1998년 종합 과학동으로 장치가 이전 및 재조립되었다. 이러한 KT-1의 용도로는 제 1벽 처리기술연구, 플라즈마 제어기술 연구 등 토카막 운용기술 개발, 정전 및 자기장탐침, 가시광, ECE(Electron Cyclotron Emission) 등을 사용한 플라즈마 진단기술 개발, 플라즈마 가둠 현상 연구 등 핵융합 플라즈마 연구, 그리고 학연 학생, 연구생 등을 대상으로 한 핵융합분야 전문 인력 양성을 들 수 있다.

사진. KT-1 토카막

나. 1990년대

(1) KAIST-Tokamak 프로그램 (한국과학기술원)

한국과학기술원(KAIST)이 보유하고 있었던 KAIST-Tokamak은 1978년 미국 오스틴의 텍사스 대학의 핵융합 연구센터에서 개발한 PRETEXT 토카막 장치를 한국과학기술원 최덕인, 장홍영교수가 1990년 국제공동협력 연구과제로 한국과학기술원에 설치한 것이다. 한국과학기술원에서는 이 장치를 이용하여 토카막 장치의 운전과 관련된 제어계통 및 진단계통의 개발과 핵융합 기초연구를 수행하였다.

이 장치는 1978년부터 1990년까지 미국 텍사스-오스틴 대학의 핵융합연구센터에서 PRETEXT라는 이름으로 연구가 수행되었으며, 이 후 1990년에 한국과학기술원으로 이전되었고, 1991년부터 토카막 조립을 시작하여 1993년 4월에 절연파괴 실험을 성공하였다. 이때 플라즈마의 유지시간은 6~8ms이고 플라즈마 전류는 2~10kA이었다. KAIST에서 조립을 완료한 후 텍사스 대학교의 전문가를 초청하여 공동으로 작업을 수행하였으며, 방전 클리닝을 통한 초고진공 달성, OH 파워 공급장치 제작, SCR 점화를 조합한 토로이달 자장 발생 장치의 개발, IGBT 스위치를 이용한 VF, HF 자장 발생 장치를 설계 및 제작하였고, 이 외에도 컴퓨터 전산모사를 통한 자장의 모습 및 리미터 물질에 대한 연구도 수행하였다. 또한 전체 자장 발생의 시간 제어를 위한 타이머를 설계, 제작하였으며 기초 진단 장비로 자속루프(flux loop), 로고스키(Rogowski) 코일 및 모터, 미세 펌핑이 가능한 랑뮤어 탐침을 설계, 제작하였다.

1994년부터 1996년까지 보다 안정된 평형상태의 플라즈마를 얻기 위하여 시스템을 제어하는데 오동작을 일으키는 잡음을 해결하였고 자료 수집 계통을 설치하였다. 1997년 12월까지는 토카막 시스템의 개선과 토카막 플라즈마 발생을 위한 실험 및 플라즈마 위치 개선을 통해 20ms, 25kA의 플라즈마 전류를 얻었다. 1998년 2월에는 방전시간이 25ms인 35kA의 플라즈마 전류를 성공적으로 얻었으며, 폴로이달 코일인 수직자기장 코일과 수평자기장 코일을 직렬로 연결하여 1998년 7월에 43ms, 17kA의 플라즈마 전류를 얻었다. 1998년 10월에는 전이온화를 위한 수단으로 마그네트론을 설치하여 ECH 플라즈마를 생성하였다. 1999년 2월에는 수직자기장을 보강하기 위해 수직자기장 코일에 흘려주는 전원시스템을 개발하여 90ms의 유지시간을 지닌 30kA의 플라즈마를 얻었다. 또한 보강 실험을 통해 1999년 3월에 국내 최초로 유지시간이 약 95ms이고 30kA인 플라즈마를 얻는데 성공하였다. 1999년 10월에는 시스템의 자동화로 토카막 운전자 1인으로 실험이 가능해졌으며, 보다 재현성 있고 프로그램화된 플라즈마를 얻는 계기가 되었고, 고온 플라즈마 특성 연구와 진단계 연구 등에 보다 집중할 수 있는 발판을 마련하였다.

사진. KAIST-Tokamak

(2) 한빛 플라즈마 발생장치 (현, 국가핵융합연구소)

기초과학지원연구소(현 한국기초과학지원연구원의 국가핵융합연구소)의 한빛장치는 자기거울장치이다. 연구장치 선정을 위해 1988년에 국내 학계 중진으로 task force(위원장: 이동녕 교수)를 구성하였다. 한빛장치는 미국 MIT의 플라즈마 핵융합 센터에서 1980년대 초에 미러 핵융합 연구 장비로 개발한 타라 탄뎀 미러(Tara Tandem Mirror) 장치를 1991년 말에 미국의 에너지성에서 기초과학지원연구소에 무상으로 받아 1992년 말 장치의 일부를 한국에 도입, 국내 플라즈마 연구 인력의 협력에 의하여 개조 설치된 첫 번째 국가적인 대형 플라즈마 공동연구시설이다.

한빛장치는 1993년 초부터 시작하여 만 2년만인 1995년에 장치를 구성하는 가장 중요 부분인 진공 용기 및 전자석을 정밀하게 정렬하고 진공 배기장치 및 전자석 전원 장치를 설치함으로서 1차적인 설치 작업이 완료되었다. 이러한 설치 작업의 결과로서 플라즈마 발생 및 자장 밀폐 실험을 위한 가장 기본적인 조건으로서 1600 /sec 터보 분자 펌프 3대로 배기하여 기저 진공도 Torr를 달성하였고, 작은 플러그에서 2.5T의 자기장을 형성시킬 수 있게 되었다. 본래 타라 장치는 핵융합 연구를 위한 장치였으나 기초과학지원연구소에 설치되면서 기초적 플라즈마 현상분석 연구용으로 이용되었다. 기초과학지원연구소에서는 이 한빛장치를 RF파 플라즈마 가열 연구, 플라즈마 진단연구, 플라즈마 프로세싱 등 산업적 응용연구에 이용하였으며, 방사선방호를 위하여 납유리 및 0.5m 두께의 콘크리트 차폐벽이 설치되었다.

1995년 플라즈마 발생에 성공한 후에는 대용량 전자기공명 플라즈마 발생실험 진행, 각종 플라즈마 진단 장비 개발 설치, 500kW 플라즈마 가열장치 설치, 펄스모드 운전 및 산업적 활용을 위한 시스템 설치 등을 수행하였다. 1999년 400kW RF파 파워 가동에 성공하였고, 플라즈마 온도 향상을 위한 본격적인 가열실험을 진행한 바 있다.

사진. 한빛 플라즈마 발생장치

(3) PLS (포항가속기연구소)

포항공과대학교의 김호길 총장과 참여교수진은 포항종합제철주식회사(당시 박태준 회장)의 지원에 힘입어 1988년 4월 1일 ‘방사광가속기건설추진본부’를 발족시키고, 이어서 5월 12일에는 포항공과대학교 부설 ‘포항가속기연구소’를 설립하기에 이른다. 방사광가속기 건설 사업은 포항시 남구 지곡동 소재 총 20만 평의 부지를 매입하여 6만 5천 평의 부지조성 공사를 1989년 7월 28일 착공한 후 1991년 4월 1일 건물착공에 들어가 1993년 9월 30일 저장링 건물을 완공함으로써 약 4년 5개월 만에 주요 건설공사를 성공적으로 완료하였다. 이어 1994년 7월에 선형가속기와 저장링, 그리고 X-선 산란 빔라인 1기와 진공 자외선 빔라인 1기를 잇달아 건설한 후, 9월에 시험가동에 돌입하여 시운전을 성공적으로 마침으로서 그 해 12월 7일에 포항방사광가속기의 건설을 완료하였다. 준공 후 포항방사광가속기는 빔라인 2기를 중심으로 방사광을 이용한 연구를 수행할 수 있도록 약 10개월간의 준비기간을 거쳐 마침내 1995년 9월 1일에 범국가적 첨단 과학기술 거대시설로서 국내외 연구자들에게 개방되었다. 이 포항방사광가속기 건설에는 포항제철 출연금 864억원, 정부 지원금 596억 원 및 기타 재원 40억 원 등 총 1,500억원의 재원이 투입되었다. 1994년 준공 당시 2.0 GeV 에너지로 가동되도록 건설되었던 선형가속기는 2000년대에 2.5 GeV로 성능이 향상되었으며, 저장링 역시 2.0 GeV 에너지로 가동되도록 건설되었으나 2.5 GeV로 가동됨으로써 X-선 영역에서 더욱 강한 방사광을 제공하고 있다.

사진. PLS전경

다. 2000년대

[1] 국가핵융합연구소의 주요 프로그램

(1) KSTAR

KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research, 한국 차세대 초전도 토카막 연구)는 장치의 이름에서부터 알 수 있듯이 모든 전자석이 초전도 재료로 제작된 토카막형 핵융합 연구 장치로서, 장차 핵융합로 건설을 위하여 반드시 확보해야 할 핵심기술인 『정상상태 운전기술』과, 『고성능·고효율 플라즈마 발생 및 제어기술』을 확보함과 동시에 이와 관련된 핵심 하드웨어 기술의 확보를 주요 목표로 삼고 있다. 한국기초과학지원연구원(현, 국가핵융합연구소)의 핵융합연구개발사업단(단장: 이경수 박사, 이후 국가핵융합연구소장 역임) 주도로 1995년 12월에 착수되어 2007년 8월에 완공되었다.

1995년 12월 착수된 KSTAR 건설사업은 특수실험동 건설비 1,500억 원, 장치건설비 3,090억 원이 소요되었으며 설계, 제작, 조립 및 종합시운전 완료에 이르기까지 12년에 걸쳐 진행된, 국내 과학기술 역사를 통틀어 가장 거대한 규모의 사업이었다. 2008년 6월 13일, KSTAR 건설은 오랜 건설기간을 마무리하고 최초 플라즈마 발생을 단 한 번의 시운전 시도 만에 달성하는 쾌거를 이루었다. 이는 한국의 과학기술역량과 국내 산업체의 기술적 우수성을 전 세계적으로 입증하는 또 하나의 계기가 되었다고 할 수 있을 것이다. 특히, 니오븀-주석 합금(Nb3Sn)을 초전도 선재로 사용한 장치로서는 세계 최초로 건설 성공을 이루어 낸 것으로서 ITER 건설계획에도 큰 영향을 미쳤다.

KSTAR 건설 기간 중 획득한 주요 기술로서는 『거대 진공용기 제작기술』, 『초전도자석 제작기술』, 『극저온 시스템 관련기술』, 『거대장치 조립기술』, 『고전압·대전류 전원 장치기술』, 『열차폐체 제작기술』, 『초전도선재 기술개발』 등, 장차 ITER 장치건설 및 나아가 핵융합로 건설을 위한 핵심 하드웨어 기술이 거의 망라되어 있다고 할 수 있다. 이와 같은 연구성과는 KSTAR 장치 건설 당시 최우선 과제였던 한국의 ITER 회원국 가입 및 한국이 ITER 장치의 가장 중요한 핵심 부품을 조달하게 되는데 있어 결정적인 초석이 되었음은 두말할 나위가 없다. 뿐만 아니라 KSTAR 장치는 건설완공 이후, 성공적인 운영결과를 지속해서 도출하고 있으며 그 결과, 2010년 운전 캠페인 기간 중 세계 최초로 초전도토카막장치에서 고효율 플라즈마 가둠 영역인 『H 모드』 달성을 당초 목표보다 빨리 달성하고, 2011년에는 ITER 및 상용로 실현에 장애물로 작용하고 있는 플라즈마가장자리불안정성(ELM) 제어에 성공함으로써, KSTAR 장치는 국내의 핵융합연구 분야뿐만 아니라 전 세계적으로도 매우 중요한 의미를 가지는 핵융합연구 장치로 명실 공히 자리매김하게 되었다.

KSTAR 장치는 앞으로 『KSTAR 중·장기 계획에 적시된 바와 같이 2025년까지 총 4단계의 운영단계를 거치는 동안, 초전토카막 장치운전 기술 확보, 정상상태 플라즈마 발생 및 유지기술 확보, ITER 길잡이 장치(prototype device) 및 위성장치(satellite device) 역할 수행을 통한 국제핵융합연구의 선도, 핵융합 실증로(DEMO) 건설을 위한 선행기술 실험 등의 광범위한 핵심 연구를 위한 플랫폼 장치로서의 활용이 기대되고 있다. 또한, KSTAR는 이 장치를 매개체로 하여, 핵융합에너지 개발관련 국제공동연구를 적극적으로 활용함으로써 한국이 상대적으로 취약한 기술들을 효과적으로 확보하는 전략에도 절대적인 가치를 지니고 있다. KSTAR 장치는 향후 국내 핵융합 연구를 이끌어 갈 연구인력 양성은 물론, 유관 국내기관과의 유기적인 협력체계를 통한 국내 핵융합 연구분야 저변 확대를 위해서도 매우 중요한 의미를 지닌다.

사진. KSTAR장치

(2) ITER 한국사업단

‘ITER 한국사업단(Korean Domestic Agency : KODA)’은 2008년 9월 국가핵융합연구소에 설립되었다. ITER 장치 건설을 위한 부품은 크게 약 90여개로 분류되는데, 동 사업단은 건설단계까지 약 1조2천억 원의 비용으로 초전도 도체 등 우리나라가 담당하는 9개 품목의 효율적으로 조달하는 사업을 수행하고 있다. 그 외에도 TBM 제작 및 비조달핵심과제 연구를 책임지고 있다. 각 조달품목별 주요 활동 내용은 다음과 같다.

◦TF 도체: 우리나라는 TF 도체 중 20.18%의 조달을 책임지고 있다. 2008년 5월 ITER 국제기구와 조달약정을 체결하였고, 초전도 선재, 케이블, 조관용 튜브, 조관 등을 계약을 통해 조달 진행 중이며, 현재 29 개의 중 8개의 도체 제작을 완료하였다.

◦진공용기 본체 및 포트: 진공용기는 본체(9개 섹터)와 포트(상부, 중앙부, 하부)로 구성된다. 우리는 본체의 2개 섹터와 포트의 2개 부분(중앙부, 하부)을 담당하고 있다. 본체는 2012년 상반기에 제작이 착수되었고, 포트는 2013년 초부터 제작될 계획이다.

◦블랑켓: 우리는 블랑켓 차폐블록의 약 50%를 조달하기로 되어있다. 현재 블랑켓 조달약정 체결을 위한 상세설계 단계에 있으며, 국내 산업체들과 협력하여 선행생산품 제작 · 시험을 통한 조달자격검증 활동을 수행 중에 있다.

◦조립장비: 장치 조립을 위한 총 128종의 전용 조립장비 조달업무를 수행하고 있다. 선행 조달 품목인 67종의 섹터 부-조립 장비군 및 섹터 조립 장비군에 대한 예비설계를 완료하고 상세설계를 수행중이다.

◦전원공급장치: 초전도자석 전원공급장치는 중국과 공동으로 조달하는 품목이다. 자체 R&D 및 국제 공동협력을 통하여 장치의 기술검토 및 사양을 확정하고 2011년 3월 ITER 국제기구와 조달약정을 체결하였다. 현재 컨버터, 변압기 및 마스터제어기에 대한 상세설계가 진행 중이다.

◦열차폐체: 우리가 ITER 열차폐체 개발을 전담함으로써 관련 원천기술 및 제작기술을 확보하고 있다. 실제 크기의 목업을 제작하여 설계 및 제작공정의 검증을 완료하였다. 현재, 개발된 기술 및 설계를 바탕으로 제작 착수를 준비하고 있다.

◦삼중수소저장공급시스템(Tritium SDS): 중수소와 삼중수소에 대한 저장, 공급, 분리, 제거, 회수 기능 중에서 우리나라는 삼중수소를 저장, 공급하는 시스템(SDS)을 조달한다. 현재 1:1 규모의 ZrCo 와 우라늄 저장재를 이용하여 삼중수소의 저장, 공급, 재고예측 및 붕괴로 생성되는 헬륨-3의 회수에 대한 연구를 진행하고 있다.

◦진단장치: ITER 진단장치는 약 40여 종의 독립적인 시스템들로 구성된다. 우리는 상부 포트플러그 구조물 1개, 진공 자외선 분광기(VUV) 시스템 3개, 중성자 방사화 시스템(NAS) 등을 담당한다. 현재 예비설계와 KSTAR에서의 성능 검증을 병행하고 있다.

◦TBM: 우리나라는 2011년 12월 HCCR(Helium Cooled Ceramic Reflector) TBM 시스템 개발을 주도하기로 결정하였고, 2012년 6월 ITER 이사회에서 최종 승인을 받았다. 인허가문서를 위한 안전성분석보고서 작성 및 TBM 구조재/목업제작, 헬륨냉각시스템, 삼중수소추출시스템 등과 관련 업무를 진행 중이다.

◦비조달핵심기술개발: 핵융합 전반을 포괄하는 ITER 핵심기술 확보를 위해, 2011년에 우리가 참여하지 않는 80여 개 비조달 품목에 대한 핵심기술을 목표로 정책기획연구를 수행하였다. 2012년도부터 대학 등에 13개의 과제를 위탁하여 ITER 비조달 핵심기술 추적과 미래 핵융합로 건설을 위한 기술확보 노력을 진행하고 있다.

그림. ITER 장치와 주요 구성부품

(3) 융복합플라즈마 연구센터

플라즈마 응용기술을 활성화하기 위하여 2009년에 융복합플라즈마연구센터가 국가핵융합연구소에 내에 설립되었다. 2012년 말까지 센터이전을 목표로 새로운 건물이 군산시 군장국가산업단지 내에 건설되고 있다. 이를 통해 플라즈마를 활용한 융복합 연구 환경 개선, 지역 산업과 연계한 직접적인 기여, 다양한 형태의 학연산 네트워크 구축을 통한 본격적인 인재양성 및 연구개발의 시너지 효과의 극대화 등이 가능하게 되었다. 또 에너지 생산/저장/효율향상을 위한 연구로, 고효율의 실리콘 양자점 태양전지의 기술 검증을 위한 제조 장비 연구, 마이크로파를 이용한 스팀 플라즈마 발생 연구, 중성입자빔을 활용한 GaN 저온성장 기술 및 장비 연구를 진행하고 있다. 환경 개선 연구로는 플라즈마를 활용한 환경(대기, 토양, 물) 개선 기술 및 장치 개발 연구를 활발히 진행 중이다. 특히, 바닷물과 같이 전기전도도를 갖고 있는 물속에서도 안정적으로 방전이 가능한 기술을 개발하여 선박 평형수 처리, 원자력발전소 폐수 처리, 하수 및 폐수 처리 등에 적용하기 위한 연구를 추진하고 있다. 또한, 플라즈마에 의한 효율적인 오존 발생을 통한 기름오염토양의 복원 기술, 대기압 플라즈마를 이용한 디젤자동차 배기가스 처리 장치도 개발 중이다. 이외에도 디스플레이의 대형화 추세에 따라 대기압 플라즈마를 기반으로 하는 건식식각 기술에 대한 연구를 진행 중이다. 플라즈마를 활용한 융복합 연구 개발은 2009년부터 본격적으로 시작되어 현재는 응용 원천 기술을 발굴하고 기술 검증을 추진하고 있는 시점이지만, 기술이전을 통한 사업화가 꾸준히 증가하는 추세이다.

(4) WCI 핵융합연구센터

WCI(World-Class-Institute) 프로그램은 정부출연연구소의 연구역량을 세계적 수준으로 제고하기 위해 착수된 정부지원 프로젝트로, ‘핵융합 플라즈마 난류수송 현상에 대한 통합모델링 연구’를 핵심 연구주제로 하여 2009년 12월 착수되어 2014년 11월까지 5년간에 걸쳐 연 25억 규모로 연구가 진행 중이다. 이론, 대용량 시뮬레이션 및 실험 데이터 분석 등에 관한 통합적 연구, 연구수준과 연구진의 국제화, KSTAR 및 ITER 등 핵융합 실험프로그램과의 연대 등을 기본 전략과 방향으로 하며, 연구주제로는 플라즈마 수송의 비국소적 특성, 플라즈마 운동량 수송 및 자발적 회전 발생, 플라즈마 입자와 불순물 수송, 플라즈마 언저리 및 내부 수송장벽 형성, 전자에너지 수송 특성, 고에너지 입자와 플라즈마 난류의 상호작용 등을 채택하고 있다. 이는 현재 세계 핵융합 플라즈마 연구에 심대한 파급효과를 초래할 선결 핵심 연구주제들이며, 창의적 아이디어에 의한 이론적 방법론 및 고성능 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 접목하여 해결 중이다.

단계별 목표는 제 1단계(2009-2010) 센터 기반구축, 제 2단계(2011-2012) 본격적 이론, 시뮬레이션, 실험연구 수행, 제 3단계(2013-2014) 통합모델 도출 및 실험 검증으로, 참여 연구진은 관련 분야에서 미국, 유럽 등 핵융합 연구 선진국들에서도 가장 앞선 연구성과를 보여주고 있는 그룹들을 망라하고 있다. 또한 연구진의 연구영역은 대학을 중심으로 한 학문적 측면과 KSTAR 핵융합 실험분석과 같은 실험영역을 포괄, 접목하고 있다. 또한 WCI 연구센터에서는 토카막 플라즈마의 기본 운전모드인 OH 플라즈마에서부터 핵융합로를 겨냥한 고성능 플라즈마에 이르기까지 다양한 형태의 플라즈마 난류 현상에 대한 근본적 이해를 추구하여, KSTAR 초고온 플라즈마 실험 연구주제 제공 및 데이터 해석을 통해 KSTAR 장치를 통한 세계적 연구성과 창출을 선도하기 위해 활발한 연구가 진행 중이다.

[2] 대학인력양성 프로그램

(1) 핵융합로공학 선행연구센터 및 VEST 장치 (서울대학교)

핵융합로공학 선행연구센터(한국연구재단 ERC, 2008년)는 인류에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 지속가능한 에너지원인 핵융합로의 실용적인 가동과 설계해석에 필수적인 핵심기반기술을 선도적으로 개발하고, 관련 고급 연구인력을 양성하며 국제협력연구를 활성화함으로써, 우리나라가 핵융합로 실현에 필요한 핵심기술을 선점하여 국제경쟁력을 강화하고 핵융합에너지 조기실용화에 주도적으로 기여할 수 있게 함을 목적으로 하고 있다. 주요 연구내용을 정리하면 다음과 같다.

◦ 핵융합로 노심제어 및 시스템통합 기반기술 연구

토카막 노심 플라즈마 공간분포 진단 및 정밀제어에 관한 핵심 기초기술과 연소 플라즈마의 알파입자의 수송특성을 확보하여, 장시간 가동을 지속할 수 있는 노심플라즈마 제어기술을 개발하고, 핵융합로 전체 시스템의 통합해석 체제를 구축하여, 실현성 있는 다양한 핵융합로 시스템을 구성하고 기술적인 평가를 수행한다.

◦ 핵융합로 경계 플라즈마 핵심 기초기술 개발

토카막 경계 플라즈마의 물리적 특성을 이론과 실험적으로 규명하고 이를 바탕으로 플라즈마와 대면물질 간의 상호작용에 관한 연구로 핵융합 플라즈마 성능을 극대화하고 핵융합 장치 수명연장 방안을 도출한다. 나아가 디버터와 제1벽 등 대면부품의 재료의 물리화학적 특성을 연구하여 열부하 및 불순물 발생의 감소를 목표로 한 대면재료에 대한 기초 기술 자료를 축적한다.

◦ 핵융합에너지 변환계통 선행기술 연구

핵융합로에서 안전하고 지속적인 열생산 및 삼중수소 연료공급을 담당할 블랭킷과 높은 에너지 효율로 전기를 생산하는 동력변환계통의 개발에 필요한 선행기술 중 블랭킷 내에서의 중성자 거동, 열생성과 열제거, 삼중수소 증식과 이송, 재료의 조사손상 및 방사화, 초임계유체 이차냉각계통에 의한 동력생산 등과 관련된 해석기술을 개발하고, 블랭킷 열전달 및 삼중수소 누설 실험을 통해 설계에 필요한 기초 물리적 특성자료를 확보한다.

◦ 핵융합플라즈마 파생 산업기술 연구

핵융합로 개발에 따른 파생기술의 이용확대를 위하여, 전력생산 이외의 다른 분야에 이용 가능한 핵융합장치에 대한 연구와 플라즈마 처리 및 공정과 같은 산업적 응용 연구를 동시에 수행한다.

VEST: VEST(Versatile Experiment Spherical Torus)는 서울대학교 원자핵공학과의 핵융합로공학 선행연구센터(CARFRE, Center for Advanced Research in Fusion Reactor Engineering)에서 설계, 제작중인 소형 구형 토러스(ST, Spherical Torus) 장치이다. 2 이하의 낮은 종횡비를 갖는 구형 토러스는 40%에 이르는 높은 베타 값에서 운전할 수 있으며 작고 경제적인 핵융합로의 가능성을 열고 있다는 평가를 받고 있다. 그러나 높은 종횡비는 토러스 안쪽의 공간이 협소해지는 단점을 수반하며, 이러한 좁은 중심 공간으로 인해 중심 솔레노이드가 시동을 위한 충분한 자속을 만드는 데 한계가 있어, 중심 솔레노이드를 사용하지 않는 시동 방법이 꾸준히 연구되어 오고 있다. VEST는 낮은 종횡비 상태의 구형 토러스에 대한 여러 기초 연구와 더불어, VEST만의 고유한 특징인 부분 솔레노이드(partial solenoid)를 활용한 DNM(Double Null Merging) 시동 방법과 더 나아가 이를 응용한 연속적인 플라즈마 병합 운전 방법 개발 연구를 목적으로 설계되었으며, 대학 연구실들을 중심으로 다양한 실험과 연구가 가능하도록 최대한 유연한 확장성을 갖도록 설계되었다.

VEST의 중심 솔레노이드는 플라즈마 유지를 위해 사용될 일반적인 형태의 얇은 솔레노이드와, 시동을 위해 사용될 진공 용기의 상하 양끝부분에 설치될 두 개로 나뉘어져 있는 부분 솔레노이드의 2종으로 구성되어 있다. 한 쌍의 부분 솔레노이드에 의해 두 개의 분리된 작은 플라즈마가 생성이 되면 이 플라즈마가 전자기력에 의해 진공 용기 중앙에서 합쳐지게 되고, 이 때 얇은 솔레노이드에 의해 합쳐진 플라즈마가 유지되게 된다. 분리된 형태의 작은 플라즈마를 연속적으로 생성하여 이전 단계에서 합쳐져 있는 주 플라즈마에 입사함으로써 연속적으로 플라즈마 전류를 증가시키는 실험도 계획하고 있다.

(2) 핵융합 플라즈마 진단 및 정상상태 운전연구 거점센터 (포항공과대학교)

2009년 설치된 핵융합플라즈마 진단 및 정상상태 운전연구거점 센터의 첫 번째 연구목표는 국내 핵융합 플라즈마 연구 능력을 짧은 시간에 국제적 수준으로 향상시키기 위해 대학에 기반을 둔 연구센터를 중심으로 필수 진단기술과 첨단 진단기술 개발을 통하여 KSTAR를 최고의 연구장치로 만들고, KSTAR 정상운전을 위한 전류구동에 필수인 안테나 설계 및 발진기를 건설하며, 이들을 통한 새로운 연구결과의 이론적 해석을 병행하는 것이다. 이러한 통합된 연구센터를 외국기관의 투자와 협력 및 대학의 대응투자를 통해 첨단기술 도입을 가속화하여 고급 연구 인력을 양성하는 것이 두 번째 목표이다. 이는 바로 한국이 참여하고 있는 ITER사업에 필요한 인력 및 기술을 조달하고 한국형 핵융합로 실현에 필요한 고급기술 보유 및 인력확보를 위한 지름길이다.

핵융합 연구의 중간진입 전략으로 건설에 성공한 KSTAR를 빠른 기간 안에 세계적인 연구시설로 만들기 위해서는 기본적인 필수 진단장치인 톰슨장치(전자밀도 및 온도분포를 측정)를 핵융합 연구소와 같이 개발하고 첨단 토카막 물리연구를 할 수 있는 최첨단 영상진단 장치인 ECE 및 Microwave Imaging Reflectometry를 미국과 일본의 투자와 협력을 통해 개발하여 뛰어난 해상도를 가진 3차원적 영상을 통해 새로운 물리현상을 발견할 기회를 마련해 ITER를 위시한 토카막을 기반으로 한 핵융합에 걸림돌이 되는 특정 불안정성의 근본을 탐구할 필요성이 있다. 또한 타이완의 플라즈마 연구 센터와 공동투자로 집단 산란 장치를 개발하게 되면 열 및 입자 수송 문제 해결점을 찾아 미래의 고급 핵융합로(ITER 보다 효율적이고 작은 규모)의 길을 개척할 수 있을 것이다. 이러한 첨단 물리 측정결과를 이론 참여자들과 공동으로 연구할 수 있는 기반을 마련하고 KSTAR의 근본 목적인 정상상태 운전을 위한 전류구동에 필수인 LHCD 안테나와 ECH 발진기를 미국 PPPL과 공동투자로 NFRI와 같이 개발할 예정이다. 이와 같은 사업은 참가기관, 외국기관 투자와 협력 및 대학 대응 투자를 통해 이룩하고, 이를 통한 본 센터의 고급기술 확보와 연구 인력의 능력향상이 바로 KSTAR의 성능향상과 직결될 것이며 또 한국핵융합 사업에 필요한 고급 인력양성의 초석이 될 것이다.

(3) 핵융합 플라즈마 수송현상연구 거점센터 (한국과학기술원)

2009년에 설치된 핵융합플라즈마 수송현상연구 거점센터는 KSTAR 플라즈마의 수송과 관련한 연구수행을 위해 다양한 스케일의 현상을 통합하는 근본원리에 입각한 전산모사 연구와 최첨단 진단계를 개발하고 이를 활용한 실험연구를 수행하여 수송문제에 대한 물리적 통합적 이론을 확립하려 하고있다. 이를 통해 단기적으로는 KSTAR 고급 플라즈마 성능 해석 및 예측 능력 확보에 기여하고, 장기적으로는 ITER 운전에 기여하게 될 것이다. 이를 위해 KSTAR 연구원들과의 긴밀한 정보교류 및 상호협력연구와 핵융합 선진국의 연구자들과 활발한 국제 공동연구를 수행하며, 고급 신진 연구인력을 양성하고 훈련하는 것을 주 목표로 삼고 있다. 주요 연구내용을 정리하면 다음과 같다.

◦ KSTAR 수송 해석을 위한 고성능, 차세대 진단계 개발 및 실험연구

- 연 x-선 및 볼로미터 토모그래피, x-선 핀홀 카메라 진단을 이용한 에너지 수송 연구

- Hα 진단계, KSTAR 내벽 모니터링 진단계 및 전자기파 차단 진단계를 통한 ELM, SOL 변동 연구

◦ 폴로이달 전하 교환 분광 진단계 개발 및 이를 이용한 플라즈마 회전과 수송과의 상관관계 연구

- 언저리 플라즈마 연구를 위한 폴로이달 CES(Charge Exchange Spectroscopy) 진단계 개발 및 성능 향상

- CES를 이용한 플라즈마 회전, 수송광의 상관관계 연구

◦ 근본원리 통합 전산모사에 의한 KSTAR 고급 플라즈마 성능해석 및 예측

- Full-f gyrokinetic XGC1 전산코드를 이용한 난류 현상 연구

- XGC0 전산코드를 이용하여 노심에서부터 언저리까지의 전체 장치 전산모사 연구

- ELITE를 이용한 50MW/m2급의 ELM 불안정성 경계 연구

- TRANSP 코드를 이용한 KSTAR에서의 수송 연구

◦ 수송문제의 물리적 통합적 이론 확립

- 전산모사 연구와 실험연구를 함께 수행함으로 수송문제의 물리적 통합적 이론 확립하여 KSTAR 및 ITER에 기여

◦ KSTAR 보론화 증착 진단시스템 개발 및 해석

- 멀티 고조화 분석법을 적용한 표면분석 기술 개발

- 표면분석 기술평가 및 비교

(4) 핵융합 경계 플라즈마연구 거점센터 및 DiPS 장치 (한양대학교)

2009년에 설치된 핵융합 경계플라즈마 연구거점센터의 주요 연구목표를 정리하면 아래와 같다.

◦ 유속 탐침 보정 및 전기탐침 해석 프로그램 개발

- 정전기적 방법을 이용한 KSTAR 토카막 티끌입자 진단/제거 및 티끌입자에 의한 플라즈마 영향 평가와 KSTAR 토카막 중성자 측정을 위한 중성자 검출기 개발

- 플라즈마의 온도 및 밀도 측정용 레이저유도형광진단계 및 레이저톰슨산란진단계 등 광진단계를 개발

- KSTAR 및 핵융합로 보론화 작업을 최적

핵융합 경계플라즈마 연구거점센터의 주요 연구내용 정리하면 다음과 같다.

◦KSTAR 고정탐침 및 고속주사탐침 설계 해석 및 다양한 전기탐침 보정 및 유속탐침 보정, 유속탐침 보정 및 전기탐침 해석 프로그램 개발

- KSTAR 고정탐침 및 고속주사탐침 활용을 통한 경계 플라즈마 물성 측정 및 해석

- 정전기적 진단법을 통한 티끌입자 진단 및 제거 연구

- Stilbene 및 Fission Counter 중성자 검출기 개발 및 보정과 KSTAR 토카막 중성자 진단

- Visible Spectroscopy(CR mode, He, H2/D2 분광실험), LIF(Laser Induced Fluorescence; Diode와 Dye laser 이용, Ar, He, 온도, 속도 측정) 및 LTS(Laser Thomson Scattering; 전자 온도 및 밀도 분포를 측정)의 3가지의 광진단법의 기초연구(DiPS→KSTAR)

- 보론화 효과 등에 대한 연구가 상대적으로 미흡한 카보란(Carborane)을 사용하여 보론화 작업을 진행할 예정

- 카보란을 이용하여 소규모 진공용기에서 a-C:B:H 박막을 샘플(실리콘 웨이퍼)위에 증착하고, 여러 가지 측정기기를 이용하여 박막의 특성 조사

- KSTAR에서 샘플링 탐침 시스템을 개발하여 보론화 작업에 대한 체계적인 연구를 실시

DiPS: 다이버터 플라즈마 모사 장치(DiPS, Divertor Plasma Simulator)는 핵융합 플라즈마의 다이버터 영역의 플라즈마 모사, 기초 플라즈마 실험 및 플라즈마 진단 기술 개발을 목적으로 한양대학교에서 개발된 고밀도 선형 플라즈마 장치이다. 2003년 개발을 시작하여 초기 장치인 DiPS-1이 2009년 까지 운영되었으며, 진공용기, 전자석 전원 장치의 성능 개선을 통한 DiPS-2 장치를 2009년 9월부터 현재까지 운영 중에 있다. DiPS-2는 직경 4인치의 란타늄헥사보라이드(LaB6)를 이용한 열전자 음극 방전을 이용하여 직류 플라즈마를 발생한다. DiPS-2는 핵융합 장치의 다이버터 영역에 해당하는 플라즈마 밀도(~1013cm-3)와 전자온도(5-50eV)와 유사한 플라즈마 성능을 가지고 정상 상태로 운영되고 있다. DiPS-2를 이용한 연구는 다이버터 영역에서의 플라즈마 현상에 대한 이해를 목표로 하여, 중성가스와 플라즈마와의 반응, 플라즈마 분리 현상(Plasma Detachment) 및 기초 플라즈마 현상(이온 가열)에 관한 연구를 수행하고 있으며, ELM 현상 및 조절과 관련된 연구를 수행할 예정이다. 이를 위한 플라즈마 진단 장치로는 전기탐침(고속주사탐침), 레이저 유도 형광법(LIF, Laser-Induced Fluorescence), 레이저 톰슨 산란(LTS, Laser Thomson Scattering) 및 방출분광법(OES, Optical Emission Spectroscopy) 시스템이 설계·제작 되어 현재 운영 중에 있다.

(5) 핵융합 플라즈마 이온가열연구 거점센터 (한국원자력연구원)

2009년 설치된 핵융합 플라즈마 이온가열연구센터의 최종목표는 KSTAR 토카막의 플라즈마 가열 및 전류구동장치의 핵심부품들을 개발하여 H-모드 및 차세대 토카막 모드 운전에 기여하고, 핵융합발전로의 가열 및 전류구동에 대한 장시간 능동제어의 기반을 마련하는 것이다. 단기적인 목표로는 ICRF 가열장치와 NBI 가열장치의 핵심부품을 완성하여 가열출력을 3MW 이상 확보하여 KSTAR의 H-모드 달성에 기여한다. 주요 개발품목은 4-스트랩 정합장치, 1MW ICRF 송출기 및 2MW 이온원이다. 장기적인 목표로는 가열출력을 5MW 이상 확보하고, 고속이온 진단장치 개발과 가열 모델링 연구를 기반으로 제어알고리즘을 개발하여 가열과 전류구동에 관한 능동제어기반을 구축하는 것이다. 또한 핵융합발전로와 관련하여 연속 운전에 필요한 RF 이온원, 음이온원, 연속운전 송출기 및 저손실 전송선들의 핵심기술들을 확보한다. 주요 연구내용을 단계별로 정리하면 다음과 같다.

◦ 제1단계(2009-2011): KSTAR에 대한 3MW 가열 달성

- 4 strap 정합장치를 구성하여 1MW의 ICRF출력을 KSTAR에 공급한다.

- NBI를 이용하여 2MW 가열을 달성한다.

- 110MHz/1MW ICRF 송출기를 일본원자력연구개발기구(JAEA)로부터 이전 설치한다.

- 고속이온 및 고속중성입자 진단장치를 개발한다.

- ICRF와 NBI에 의한 가열 및 전류구동 모델링 기초연구를 수행한다.

- 장시간 운전에 필요한 RF 이온원 및 음이온원에 대한 기초연구를 수행한다.

◦ 제2단계(2012-2013): KSTAR에 대한 5MW 가열 및 비유도성 전류구동 100kA 달성

- NBI와 ICRF를 이용하여 5MW 가열과 100kA 비유도성 전류구동을 달성한다.

- JAEA의 ICRF 송출기를 ICRF 가열연구에 활용한다.

- 국부적인 고속이온의 속도 분포 측정을 위한 CTS(Collective Thomson Scattering)를 개발 완료하고, 실험해석도구와 연동시켜 능동제어 기초시험을 수행한다.

- RF 이온원 및 음이온원에 대한 시험제작 및 성능실험을 수행한다.

(6) 입자빔 조사를 통한 핵융합재료 연구그룹 (단국대학교)

본 우수공동연구그룹은 단국대를 주축으로 울산대, 고려대, 경희대 연구진으로 구성되어 2009년부터 연구를 수행하고 있다. 입자빔조사를 통한 핵융합재료연구는 PFC 재질 개발을 위한 기초물성 데이터베이스 구축, 핵융합로의 플라즈마 대면물질의 내열성과 기타 물성의 열화를 시험하여 후보물질에 대한 기초물성 데이터베이스를 구축하는 것을 최종목표로 한다. 이를 위해 고출력 전자빔조사를 통해 재질에 대한 열 부하 실험을 수행하여 열 피로도 거동을 분석하고 설계요구사항 이상의 열 부하 인가 후 냉각을 통한 열 제거 능력을 분석하고 수십 keV 및 MeV 급 이온원(¹H, 4He, ²D 등)을 이용한 재질의 부식성 및 물성변화를 분석한다. 또 플라즈마 대면 부품(PFC)에 입사하는 하전입자 및 중성자의 에너지 입자속 분포 및 열 부하 공간 집적량과 전자빔 실험장치에서 시편에 조사되는 열 부하량을 조정하기 위한 입자속 평가를 전산모사하고 고에너지 중성자 조사 실험을 위한 재료조사시험 특성을 전산모사한다.

(7) 핵융합 플라즈마 통합 운전 시나리오 해석 및 전산모사 연구그룹 (서울대학교)

본 우수공동연구그룹은 서울대학교를 중심으로 “KSTAR 주요 운전 시나리오 모델링 및 전산해석기술 개발”과 대구대학교를 중심으로 “KSTAR 주요 운전 시나리오 플라즈마 수송 및 자기유체역학적 특성 해석”을 세부과제로 두고 KSTAR 장치의 효율적인 운영을 위하여, ① KSTAR H-모드 운전의 전산모사를 수행하고 데이터를 축적하여, KSTAR 장치의 H-모드 달성 및 제어를 위한 최적의 운전조건을 도출하고, ② KSTAR 주요 운전시나리오 모델링 및 안정성 해석을 통하여 KSTAR의 안정 운전 영역과 KSTAR 중장기 운전 목표 달성을 위한 가열 및 전류구동시스템의 요구조건을 도출하는 것을 목표로 하여 2009년부터 2012년 까지 연구를 수행하였다. 연구 수행에 있어 국내로는 국가핵융합연구소와의 긴밀한 협력과, 국제적으로는 기존에 구축된 영국 JET, 독일 IPP, 스위스 CRPP, 미국 PPPL 등의 국제공동연구 네트워크를 활용하여 연구를 수행하였다. 주요 연구내용은 다음과 같다.

◦ KSTAR H-모드 운전 시나리오 연구 및 최적 운전 조건 도출

◦ 하이브리드 및 고성능(AT) 운전시나리오에 관한 노심수송 특성 및 MHD 해석 연구

◦ KSTAR 주요 운전시나리오 노심 수송 및 MHD 특성에 관한 통합적 연구

[3] 양성자가속기 사업 (한국원자력연구원)

1997년도부터 원자력중장기연구개발사업에서 수행되였던 대용량 양성자가속장치 개발 결과를 토대로, 정부에서는 국가과학기술 발전기반을 확충하고 미래원천기술개발을 위하여 2002년도에 21세기 프런티어연구개발사업으로 “양성자기반공학기술개발사업”을 착수하였다. 이 사업은 대용량 양성자가속기 개발･구축･활용의 1단계 사업으로, “100MeV 20mA 선형양성자가속기 및 양성자빔 이용시설”을 경주시 신경주역 부근에 2012년도 12월 양성자가속기연구센터 완공을 목표로 두고 있다. 현재 국제적으로 대표적인 대용량 양성자가속기로는 2006년도부터 운영되고 있는 미국 ORNL의 SNS와 2008년도에 완공된 일본 JAEA의 J-PARC 시설을 들 수 있다. 이들은 주로 파쇄 중성자원이나 고 에너지물리연구에 사용되는 반면, 경주에 건설되는 양성자가속기는 100MeV 이하의 다량의 양성자 빔을 다양한 분야의 연구개발에 제공한다. 즉 ① 10개의 표적계(20MeV 5개 빔라인, 100MeV 5개 빔라인)에 빔 에너지, 전류, 펄스를 가변하여 제공할 수 있고, ② 동시에 다수의 이용자(표적)에게 빔을 제공할 수 있어 기초과학 및 응용과학 분야의 연구개발에 다양한 빔을 제공할 수 있다. 또한 ③ mA급의 대전류 양성자빔을 제공함으로서 의료용 방사성동위원소의 대량생산, 전력반도체 및 나노 입자의 생산 등 산업적인 활용이 가능하고, ④ 100MeV 뒷단에 초전도 가속장치 등 연결이 가능하여, 향후 GeV급 확장이 용이하다는 데 차별화된 특징이 있다.

양성자가속기의 중요 구성품인 RFQ(Radio-Frequency Quadrupole), DTL(Drift Tube Linear Accelerator) 등 핵심 가속장치를 국내에서 개발 설치하였으며, 향후 GeV급 확장을 위한 초전도 가속기(Superconducting Cavity) 기술도 개발하였다. 또한 사업초기부터 가속기 완공 후 활용의 극대화를 위하여, 가속기 이용자프로그램 구축하여 운영하였다. 즉 국내･외 양성자가속기시설을 이용하여 여러 분야; 물리, 원자력, 나노, 재료, 생명, 의학, 에너지, 환경 및 기초과학 분야의 이용자 750여명을 발굴 확보할 수 있었다. 또한 가속장치 개발에서 나오는 고급 Spin-off 장치기술을 활용, 각종 산업용 이온가속장치를 개발 구축하여 산업체의 기술개발을 지원하고 있고, 일부 생산용 장치도 개발하여 산업체에 기술이전도 하고 있다.

향후 사업 2단계에서는 기 확보된 부지(45만 m2)와 인프라를 활용하고, 개발된 초전도가속기 기술을 사용하여 가속기를 GeV급으로 확장, 세계 수준급의 강력한 펄스 중성자원 구축과 이용을 계획하고 있다. 또한 부지 주변에 양성자가속기 활용관련 연구센터 및 산업체를 유치하여 R&DB 단지를 구축을 위한 구상도 하고 있다.

사진. 양성자가속기 연구센터 전경

[4] PLS II, XFEL (포항 가속기연구소)

방사광이용자들의 지속적인 성능 개선 요구에 따라 2009년부터 3년에 걸쳐 총 1,000억원의 사업비로 기존의 포항방사광가속기(PLS) 저장링을 철거하고 새로운 구조의 PLS II를 구축하여 2012년 4월부터 다시 이용자들에게 보다 좋은 방사광을 제공하고 있다. PLS II는 에너지 3.0 GeV의 최신, 최첨단의 제3세대형 가속기로서, 주요설비로는 전자를 만드는 전자총(electron gun), 전자를 빛에 가까운 속도로 가속시키는 길이 165m의 선형가속기(linear accelerator)와 가속된 전자를 초고진공 통로에 저장시키는 둘레 280m의 저장링(storage ring), 그리고 방출되는 방사광을 이용하여 각종 첨단 연구 실험을 실시하게 되는 각종 빔라인(beam line)들로 구성되어 있다. PLS II는 3세대 광원의 핵심인 삽입장치를 최대 20개까지 설치할 수 있도록 설계되었다. 현재 삽입장치 및 휨자석 빔라인을 포함하여 28기의 빔라인이 활용 중에 있으며, 앞으로 국내 과학자들이 필요로 하는 신규 빔라인 건설을 계속 진행할 예정이다.

PLS와 같이 3세대 방사광가속기는 원형가속기를 기본으로 한다. 3세대 방사광가속기는 정적인(static) 현상을 연구하였으나, 최근 변화된 세계적인 흐름으로 동적인(dynamic) 새로운 현상을 찾기 위한 미국, 일본, 유럽 등 주요 선진국들의 도전이 시작되었다. 그러나 원형가속기로는 결맞음 조건(전자빔의 품질을 나타내는 에미턴스, 큰 전류, 짧은 뭉치길이)를 만족할 수 없으므로 선형가속기를 기반으로 하는 4세대 방사광가속기가 등장하였다. 포항가속기연구소는 2002년부터 학회와 공청회를 통해 지속적으로 4세대 방사광가속기 건설의 필요성을 주장해왔다. 이를 바탕으로 제 4세대 방사광가속기 사전타당성조사, 4세대 방사광가속기 건설 타당성 연구, 4세대 방사광가속기 경제적 타당성 등 사전용역을 수행하였다. 4세대 방사광가속기는 총길이 1,110m이며 10GeV의 에너지의 선형가속기, 0.1nm급 파장의 X-선 방사광을 발생시키기 위한 150m의 삽입장치, 경 X-선 영역의 극초단(펨토초)․고휘도 빔라인 3기 설치 및 기술지원 설치를 주요사업으로, 가속기 체험관과 게스트하우스 건립을 연계사업으로 진행한다. 사업기간은 2011~2014년까지 총 4년간이며, 총 사업비는 4,260억으로 주요사업에 소요되는 4,000억원은 정부, 연계사업에 소요되는 260억원은 지자체, 부지 및 인력은 포항공대가 제공하는 것으로 결정되었다. 4세대 방사광가속기는 기존 3세대 방사광가속기에 비해 100억 배나 밝은 광원을 이용함으로써 물질 내부에서 일어나는 현상을 펨토( )초의 시간분해능으로 관측 가능함으로써 BT 및 의약산업 분야의 획기적인 발전이 가능하게 된다. 또한 방사광가속기와 같은 대형 연구 장비는 기초과학의 수행뿐만 아니라 한 국가의 기초과학수준을 대변한다는 점에서 국가위상을 높이는데 크게 기여하며 4세대 방사광가속기가 건설은 국내외 우수연구소 및 첨단 산업체의 고급인력의 유입으로 지역뿐만 아니라 국가적인 발전에 기여할 것이다. 범국가적 거대과학기술 시설인 포항방사광가속기는 앞으로 국가의 과학기술 선진화를 가속화시킬 뿐만 아니라 21세기 국가성장동력 6T [NT(나노기술), IT(정보통신기술), BT(생명공학기술), ET(환경기술), ST(우주항공기술), CT(문화기술)]의 기술 개발과 산업화를 선도할 것이다.

사진. PLS II 선형가속기 터널