[미리보는 '금요일에 과학터치'] 양성자가속기가 왜 필요하지?

경주시 양성자가속기연구센터에 설치 중인 대용량 선형 양성자가속기. 한국원자력연구원 양성자기반공학기술개발사업단 제공

21세기에 접어들어 거의 모든 과학기술 분야의 첨단 연구 개발에는 분자나 원자 수준에서 물질의 특성을 알아내고 변형시킬 수 있는 '도구'가 필요하게 됐다. 이러한 도구로 이용되는 것이 원자보다 더 작은 광자, 전자, 양성자, 중성자, 뮤온, 중성미자 따위의 소립자다. 효과적으로 연구 개발을 하기 위해서는 소립자 개발에 알맞은 조건으로 만들어 줄 필요가 있다.

중요한 조건 중 하나는 소립자의 속도(운동에너지). 소립자는 속도에 따라 물질의 구조를 관찰할 수 있는 영역과 물질과 반응하는 특성이 다르기 때문이다. 속도에 따라 양성자는 물질과 다양한 반응 특성을 보여준다. 이러한 양성자의 반응 특성은 다양한 분야의 연구 개발과 산업에 활용된다.

양성자가속기는 크게 세 가지 종류로 구분할 수 있다. 첫 번째는 우주의 탄생과 진화, 별의 탄생과 진화 등을 탐구해 '우리의 지적 영역을 확장'하는 것. 두 번째는 나노과학, 생명과학, 재료과학, 화학, 에너지, 환경 분야 등에서 원천기술을 개발하는 등 산업적으로 이용해 '우리의 삶을 풍요롭게' 하고 세 번째는 암, 알츠하이머 등 난치병 진단 및 치료에 이용되는 동위원소 생산과 암 치료 등에 이용해 '우리의 삶을 건강하게' 만든다.

이처럼 양성자가속기는 우리의 삶에 직'간접적으로 영향를 주는 과학기술의 연구 개발은 물론 산업적으로 그 활용성이 매우 크기 때문에 과학기술 선진국은 양성자가속기를 경쟁적으로 개발해 활용하고 있다. 우리나라도 한국원자력연구원 양성자기반공학기술개발사업단(이하 양성자사업단)에 양성자가속기와 빔 이용 분야 전문가 50여 명이 모여 2002년 '21세기 프론티어 연구 개발 사업'을 통해 '100MeV, 20mA 대용량 선형 양성자가속기'를 개발하고 있다.

양성자사업단은 2005년 7월 미국, 일본에 이어 세계 3번째로 대용량 선형 양성자가속기 개발에 성공했고, 2010년 12월 말 100MeV 양성자가속기 본체 제작과 특성 시험을 완료했다. 특히, 100MeV 양성자가속기의 앞부분인 20MeV 양성자가속기를 한국원자력연구원에 설치하고 2007년 6월부터 2011년 11월까지 시범운영했다.

이를 통해 가속기의 설계 성능(빔에너지 20MeV, 빔 전류 20mA)를 달성해 가속장치의 기술적 완성도를 검증하고, 가속장치 운전이력과 경험을 축적했다. 또한 20MeV 양성자 빔을 이용자에게 제공해 생명과학, 나노과학, 우주항공, 핵물리학 분야의 연구개발에 활용했다.

100MeV 양성자가속기는 현재 경북 경주시에 건설 중인 '양성자가속기연구센터'에 설치 중이다. 이 가속기는 2013년 초부터 이용자에게 양성자를 제공해 나노, 생명, 재료, 정보'통신, 에너지'환경, 우주항공, 의료 및 기초과학 분야의 21세기 첨단원천기술 개발에 활용될 것이다.

이번 강연에서는 양성자의 정체, 양성자가속기의 기본원리, 양성자와 물질의 반응에 대하여 살펴보고, 이를 이용한 다양한 연구 개발 성과와 전망을 소개할 예정이다. 특히 양성자가속기가 인류의 '지적영역 확장', '풍요로운 삶', 그리고 '건강한 삶'에 어떤 영향을 미치는지 설명한다. 그리고 경주 양성자가속기연구센터에 건설 중인 '100MeV 대용량 선형양성자가속기'의 특징과 이를 이용한 각 분야의 연구 개발 성과와 전망, 양성자가속기연구센터의 비전도 살펴볼 것이다.