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양자공학 및 핵융합기술

양자공학 및 핵융합기술 연구 분과 소개
 
한국원자력학회의 제 9분과인 양자공학 및 핵융합기술 연구분과는 입자가속기공학, 레이저광공학, 핵융합 및 플라즈마기술, 방사선원 발생장치기술 등 네 개의 분야로 구성되어 있다. 분과에서는 최신 연구결과를 소개하고 각 분야 전문가들과의 심도 있는 토의를 통해 차세대 인력 양성에 노력하고자 한다.
 
입자가속기공학
입자 빔을 GeV 이상의 에너지로 가속하여 우주의 생성원리 규명 등 기초연구에 활용되는 고에너지 가속기 및 에너지, 나노, 소재, 반도체, 생명, 의료 등 산업분야에 사용되는 대용량 중/저에너지 가속기 개발이 활발히 이루어지고 있다. 파쇄 중성자 생성을 위한 대형 가속기로는 미국 SNS, 일본 J-PARC가 가동 중이고 중국의 CSNS와 유럽의 ESS 프로젝트가 진행 중이다. 물질 분석 도구로 사용되는 4세대 방사광가속기(X-ray Free Electron Laser)로는 미국 SLAC의 LCLS, 일본의 SACLA, 독일의 European XFEL, 한국의 PAL-XFEL, 스위스의 SwissFEL 등이 있다. 국내에서는 원자력연구원의 100 MeV 선형 양성자가속기와 포항의 PLS-II가 사용자들에게 빔을 제공하고 있고 기초과학연구원의 중이온가속기는 2021년 완공을 목표로 구축 중으로 유사 성능을 가지는 FRIB이 미국 미시건 주립대학에 설치되고 있다. 의료용 가속기로는 국립암센터 및 삼성의료원에서 양성자 치료가속기를 운영 중이고 연세대 병원 및 동남권원자력의학원이 중입자 치료가속기 시설을 구축할 예정이다.
 
레이저광공학
레이저는 원자력의 다양한 분야에 활용되고 있다. 저출력 및 고출력, 연속파 및 펄스 등 레이지의 유형에 따라 원자력 관련 산업 및 연구 등의 분야에서 그 응용이 매우 다양하게 이루어지고 있다. 특히 고출력 레이저는 과거에 불가능했던 연구들을 가능하게 해주는 새로운 도구로 최근 활발하게 활용 및 연구되고 있다. 이중에서 TW 이상의 고출력 레이저를 이용하여 고에너지 전자 및 이온 가속, 중성자 발생 등의 연구도 활발하게 진행되고 있으며, 감마선이나 엑스선 등의 발생 연구도 진행되고 있다. 국내에서는 광주과학기술원, 기초과학연구원, 한국원자력연구원, 한국전기연구원 등 여러 대학 및 연구소에서 PW 및 수십 TW급 고출력 레이저 시설들을 보유하고 있으며 다양한 기초 및 응용 관련 연구를 수행하고 있다.
 
핵융합 및 플라즈마기술
태양 에너지의 근원인 핵융합은 핵분열을 이용하는 기존의 원자력발전을 보완 또는 대체할 미래의 에너지원으로서 국내외에서 활발한 연구개발이 진행되고 있다. 핵융합개발을 위한 국제 공동 프로젝트인 ITER 토카막은 현재 50% 이상의 공정률로 건설되고 있다. 2025년부터 핵융합 발전 상용화를 위한 기술 검증이 수행될 예정이며 500 MW의 열출력을 1000초 이상 유지하는 것을 최종 목표로 한다. 우리나라는 국내의 초전도 토카막 프로젝트인 KSTAR의 성공적 건설 및 운영을 기반으로 ITER 프로젝트 내의 공학 분야에서 상당한 주도권을 가지고 (ITER 사무차장, 장치운영, 토카막조립, 진공용기 제작 등) 기여를 해오고 있다. 한국ITER사업단에서는 ITER의 건설 및 운영 노하우 습득을 위하여 한국인 ITER 근무자를 현 30명 수준에서 100명 수준까지 확대하기 위하여 노력하고 있다. KSTAR는 초전도 토카막 기술 측면에서 TFTR, JET, JT-60U 등 이전의 주요 토카막에서 ITER로 넘어가는 중요한 가교 역할을 수행하고 있으며 또한 우수한 공학적인 완성도 및 첨단 진단 장치를 기반으로 플라즈마 유체현상 및 요동현상 제어 연구에서 선도적인 실험 환경을 제공하고 있다.
 
방사선원 발생장치기술
방사선 발생장치 분야는 산업 또는 학술연구 등의 활용을 목적으로 개발되고 있는 다양한 방사선 발생 기술을 포괄하고 있다. 산업용으로는 컨테이너 검색, 핵물질 검색, 생산품의 내부검사, 보안검색 등의 활용을 위한 엑스선 발생장치, 소형 고주파 가속기, 마이크로파 및 테라헤르츠파 발생 장치 등에 관한 연구가 진행 중이며, 핵융합과 산업분야에서 동시에 사용되는 이온원 개발, 원자와 분자의 나노구조와 동적현상을 동시에 측정하는 초고속 전자회절용 펨토초 전자빔 발생 연구, 소형 중성자 발생장치 등에 대한 연구도 최근 활발히 진행되고 있다.
 
용어
CSNS: China Spallation Neutron Source
ESS: European Spallation Source
FEL: Free Electron Laser
FRIB: Facility for Rare Isotope Beams
ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor
JET: Joint European Torus
J-PARC: Japan Particle Accelerator Research Complex
JT: Japan Torus
KSTAR: Korea Superconductiong Tokamak Advanced Research
LCLS: Linac Coherent Light Source
PLS: Pohang Light Source
SACRA: SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser
SLAC: Stanford Linear Accelerator Center
SNS: Spallation Neutron Source
TFTR: Tokamak Fusion Test Reactor