	보도자료

보도시점	2023. 5. 29.(월) 12:00 (2023. 5. 30.(화) 조간)	배포	2023. 5. 29.(월) 10:00

“한국형 초전도 중이온 가속기” 전체 가속구간 빔 인출 및 시운전 성공

- 중이온가속기 핵심인 초전도 가속장치 전체 구간에 걸친 정상적인 빔 가속과 인출로 전체 시스템의 정합성과 건전성을 확인, 내년 하반기 본격 운영 추진

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 기초과학연구원(원장 노도영) 중이온가속기연구소(연구소장 홍승우, 이하 ‘연구소’)는 5.23(화)에 한국형 초전도 중이온 가속기 저에너지 전체 가속구간에 걸친 빔 시운전에 성공하였다고 밝혔다.

한국형 초전도 중이온가속기(RAON*, 이하 ‘라온’)는 국내 독자기술로 세계 최고 수준의 초전도 중이온 가속기 구축을 위해 지난 2010년 개념 설계를 시작으로 그간 1조 5천여억원을 투입하여 가속기동 및 극저온 설비 등 제반 시설건설을 2021년 5월에 완공, 핵심장치인 초전도 가속장치**는 2021년 12월에 구축 완료한 국내 최대 기초과학 연구프로젝트이다.

* Rare isotope Accelerator Complex for ON-line experiments

** 저에너지 전체 가속장치는 약 110m, 총124기 가속관 구성 : 전단부(‘QWR : 1/4파형 가속관, Quarter Wave Resonator)는 22기 가속관 및 후단부(HWR : 1/2파형 가속관, Half Wave Resonator)는 102기 가속관으로 구성

라온은 무거운 원소(중이온)를 가속하여 표적에 충돌시켜 새로운 희귀 동위원소들을 생성하고, 이 과정에서 우주와 원소의 기원 및 별의 진화 과정을 밝힐 실험적 데이터를 획득함으로써, 우리의 지식과 과학을 새로운 영역으로 이끌 수 있으며, 또한 반도체, 이차전지 및 항암치료 등 소재·의료분야의 혁신 등 기초과학을 넘어 산업적 파급효과도 지대할 것으로 기대된다.

이번 빔 시운전은 작년 하반기 가속관 전단부(QWR 22기)의 빔 인출에 이어, 금년 3월부터 후단부 가속관(HWR 102기)을 포함한 전체 초전도 가속관 124기에 대한 시운전을 수행한 것으로 그간 연구소는 초진공, 극저온 헬륨 냉각(영하 270도(섭씨) 내외) 상태를 유지하면서 전체 초전도 가속관(124개)의 주파수 및 빔 위상 제어를 통해 가속관별 고유 특성을 파악해 최적의 가속 변수(파라미터)를 설정하는 등 고도의 운영 기술과 노하우를 축적해 가는 과정을 거쳤다.

이러한 숙련의 과정을 통해 마침내 지난 5.23(화) 오전 11:33경 가속기 전 구간에 대한 빔 가속과 빔 인출에 성공하였고, 이후 추가적인 재현실험을 통해 빔 에너지 17.6MeV/u(핵자(u)당 가속 에너지(eV)) 및 빔 전류 21.3μA(마이크로(μ) 암페어(A), 시간당 빔 전하량)에 도달하는데 성공하였다.

과기정통부는 시운전 결과에 대해 5.24(수) 국내 가속기 전문가들로 구성된 ‘전문가 회의’를 소집하여 검토한 결과, 기술적 목표치들이 달성되었음을 현장 데이터로 확인하였고, 초전도 가속기와 극저온시스템 및 중앙제어시스템 등 제반 장치·설비의 건전성과 정합성 또한 확인하였으며, 이러한 검토 결과는 5.26(금) 과기정통부 주관 ‘중이온가속기 사업추진위원회’를 통해 최종 확정하였다.

과기정통부는 시운전 결과를 토대로 가속시스템에 대한 성능 최적화, 각종 실험장치들과 연계 시운전 및 가속기를 활용한 국내외 연구 제안서 선정 기준 마련 등 후속 절차를 차질 없이 진행하여 2024년 하반기부터 본격적인 운영에 들어갈 계획이라고 밝혔다.

과기정통부 오태석 제1차관은 “금번 시운전 성공은 그간 막대한 국가 예산이 투입된 한국형 초전도 중이온 가속기의 주요 장치와 설비들의 목표 성능 구현과 정합성을 확인한 차원에서 그 의미가 크다고 밝히며, 앞으로 성능 최적화 과정을 거쳐 내년 하반기부터 창의적이고 선도적인 국제공동 연구가 이곳에서 활발히 펼쳐질 수 있도록 다양한 정책적 노력을 다하겠다.”고 밝혔다.

담당 부서	국제과학비즈니스벨트조성추진단	책임자	단 장	김현수	(044-202-4250)
		담당자	사 무 관	이형한	(044-202-4264)
관련 기관	기초과학연구원	책임자	연구소장	홍승우	(042-878-8700)
	중이온가속기연구소	담당자	가속기운영부장	정연세	(042-878-8714)

붙임1		중이온가속기 전체 가속구간 빔 시운전 시험 결과

○ 저에너지 총54기 가속구간에 아르곤(Ar) 빔을 점진적으로 가속하여, ①빔 에너지 17.6MeV/u, ②빔전류 21.3μA 도달

< 저에너지 가속장치 장치 구성 및 빔 시운전 경과 >

< 중이온가속기 전체 가속구간 시운전 결과 >

(빔 에너지) 17.6MeV/u 입사기에서 전달된 0.5MeV/u 아르곤 빔을 저에너지 전체 가속장치(54기) 가속 ※ MeV/u : 가속되는 입자의 핵자(u)당 에너지 (M) 메가(106, 백만) (eV) 양성자나 전자가 1볼트의 전압 속에 들어 있을 때의 에너지(1전자볼트, electron volt) (u) 양성자와 중성자를 더한 핵자수	(빔 전류) 21.3μA 시간당 빔 이온(또는 입자)의 개수에 해당하는 것으로 기준 전류량 20μA 이상 ※ μA : 마이크로 암페어 (μ) 마이크로(10-6, 백만분의1), (A) 암페어(전류)

붙임2		중이온가속기 장치 구축 현황 및 저에너지 연구 분야

□ 중이온가속기 장치 구성

구 분	내 용
가속장치	(장치기능) 중이온 빔생성/가속장치 (주요구성) 입사기, 초전도선형가속기
기반장치	(장치기능) 가속장치 구동 필수 장치 (주요구성) 중앙제어시스템, 극저온시스템
RI생성장치	(장치기능) 가속된 빔을 표적 충돌시켜 희귀동위원소 생성/분리 (주요구성) ISOL/IF시스템, 사이클로트론
실험장치	(장치기능) 희귀동위원소를 추출하여 다양한 연구 수행 (주요구성) 초저/저/고에너지 활용 실험장치(핵과학, 의생명과학, 질량측정 등)

□ 저에너지 실험 장치 및 연구 분야

분야	저에너지 실험장치	연구 분야
원자 및 분자과학	질량측정장치 (MMS)	희귀동위원소의 정밀 질량측정을 통해 희귀동위원소의 구별과 새로운 원소 발견
	동축레이저 분광장치(CLS)	원자에너지 초미세 준위의 변화와 희귀동위원소의 크기(모양)을 측정하여 희귀동위원소의 구별과 그 핵의 특성 규명
핵과학 및 천체물리	되튐분광장치 (KOBRA)	희귀동위원소의 핵과 안정 원소 핵들이 서로 충돌하여 발생하는 융합·분리 현상을 통해 희귀동위원소의 생성 과정과 핵의 특이 구조 규명
	핵데이터생산장치 (NDPS)	양성자 또는 중양자에 의해 생성된 고속 중성자와 원자력 소재간의 정밀한 핵반응 데이터 생산

붙임3		중이온가속기 구축 사업 및 저에너지 가속장치 현황

□ 중이온가속기(RAON) 구축 사업

○ (사업 개요) 세계 최고 수준의 중이온가속기를 구축, 핵물리·원자력· 소재·바이오 등 가속기 기반 기초과학 분야에서 리더 국가로 도약

	< (참고) 가속기 개념 >
ㅇ가속기는 중이온, 양성자, 전자 등 전하를 띤 입자를 전기장을 이용하여 가속, 충돌시키는 장치로서 물질의 기본인 원자핵의 내부 구조는 물론 각종 물질의 성질을 연구하는데 활용 - 가속되는 입자에 따라 중이온, 양성자, 전자 가속기로 분류 ㅇ중이온가속기는 중이온(우라늄 등의 무거운 이온)을 빠르게 가속한 후 표적 물질에 충돌시켜 기존에 발견되지 않았거나 자연 상태에서 존재하지 않는 다양한 희귀동위원소를 생성하고 그 특성을 연구하는 대형 연구시설

- 중이온가속기는 다른 가속기(방사광, 중입자 등)와 달리 우라늄 같은 무거운 원소를 광속의 1/2까지 가속해야 하는 극한 기술*의 집약체

* 초전도 가속관, 극저온 냉각(-271℃ 유지), 고주파 전원장치(저에너지 162.5MHz) 등

- 특히, 우리나라 중이온가속기(RAON)는 목표성능 면이나 희귀동위원소 생성방식에서 세계 최고 수준

○ (사업 현황) 계획 변경(4차례)을 거쳐 저에너지구간 중심의 1단계, 고에너지 구간 중심의 선행R&D 및 2단계로 구분 추진 중

※ (부지) 대전 유성구 신동 952,066㎡ / 연면적 116,298㎡

< 중이온가속기 사업 단계별 사업 현황 >

구분	1단계	선행R&D	2단계
기간	’11 ~ ’22년	’22 ~ ’25년	선행R&D 성과 및 적정성 재검토 결과에 따라 결정
예산	1조 5,183억 (부지매입 3,571억, 시설건설 6,384억, 장치구축 5,228억)	(’22) 42억 (’23) 22억
내용	· 고에너지 구간 가속관 시제품 제작 및 성능시험 · 저에너지 장치 구축 완료 (’21.12) · 부지(952,066㎡) 매입 · 시설 공사 준공(’21.5)	· 가속관 시제품 성능구현 · 본제품 설계완료 · 가속장치 성능 검증 시설 확충 · 본제품 제작공정 최적화	· 고에너지 구간 본제품 제작/설치 · 전체 장치 설치완료 및 시운전

□ 저에너지 가속장치 현황

○ (구성) 전단부에 설치되는 QWR 모듈 22기(가속관 22기)와 후단부에 설치되는 HWR 32기(A타입 13기, B타입 19기/가속관 102기)로 구성

※ (QWR) Quarter Wave Resonator(1/4파장), (HWR) Half Wave Resonator(1/2파장)

○ (기능) 입사기에서 전달된 0.5MeV/u 빔을 18.5MeV/u*(가속장치 54기)까지 가속된 빔을 저에너지 실험장치나 고에너지 가속장치(SCL2)에 수송

* 우라늄 기준 빛의 속도(진공 기준 약30만km/s)의 0.12 수준(최종 목표)_

○ (개발) ’17년 QWR 가속관 본제품 제작을 시작으로 QWR(‘20.9월),  HWR-A(’21.5월), HWR-B(’21.11월) 개발을 완료하고, ’21.12월 설치 완료

< 저에너지 가속장치 형상 및 구성 >

가속관		튜너/커플러	저온유지용기(가속장치) (크기(mm) 가로×세로×높이)
QWR	HWR		QWR (1300×610×3200)	HWR-A (1,300×1,130×3,200)	HWR-B (1,300×2,010×3,200)
중이온에 고주파(RF) 에너지 전달, 초전도 소재인 나이아븀(Nb)으로 제작		(上_튜너) 가속관의 공진주파수 조정 (下_커플러) 가속관에 RF에너지 주입	가속관을 극저온 온도(-268℃이하, 초전도상태)로 유지 - 가속관, 커플러, 튜너는 각각 QWR은 1개씩, HWR-A는 2개씩, HWR-B는 4개씩 구성

붙임4		중이온가속기 활용 분야

※ (참고) 해외 중이온가속기의 경우 핵과학 분야 80-90%, 타 연구분야 10-20% 수준

구 분	주요 연구주제
【물질 본질의 이해】	① 원소의 합성을 통한 새로운 원소 발견, 물리량 측정 및 핵반응 연구 → 일본 니호늄 발견(‘04) ② ISOL, IF, 다중핵전이반응 등을 통한 희귀동위원소 생성 및 존재한계선 연구 ③ 핵의 규칙성, 내부 상호작용 등 연구
【우주 생성원리의 규명】	① 별의 생성·진화·소멸의 비밀 규명, 미지의 암흑물질 탐구, 중력파 탐구 → (노벨상) 우주생성 초기 원시 핵합성연구(‘19) ② 희귀동위원소 수명, 질량, 핵반응 측정 등 ③ 감마선 폭발의 기원, 중성자별과 매질 규명 등
【꿈의 신소재 개발】	① 온실효과 및 이산화탄소 저감물질, 다기능 나노/박막 복합소재의 전자기 특성 규명 등 연구 → 리튬이온전지/반도체 중성자 영향 실험 ② 상온/고온 초전도체, 위상양자 컴퓨터를 위한 위상 초전도체 연구 등
【미래 청정 에너지원 확보】	① 전기저항 없는 신물질, 차세대 스핀트로닉스/정보소자 등 개발 ② 손실 없는 전기에너지 저장기술, 고효율 이차전지 및 에너지저장물질 개발 ③ 사용후핵연료 처리기술 발굴, 핵데이터 구축
【생명현상규명/암치료 개발】	① 아미노산 생성, DNA 탄생, 생체 노화와 DNA 손상 가속화 원인 규명 등 ② 고부가가치 돌연변이체 및 신품종 개발(벚꽃, 발효주 등) ③ 반감기가 짧고 인체의 손상없이 치료가능한 암치료용 동위원소 발견 및 치료법 개발 → 루테튬 177이용 췌장 종양치료제