중이온 가속기 ‘RAON’ 저에너지 전 구간 빔 인출 성공, 韓 기초과학 수준 제고되나

지난 2010년부터 총 1조5,184억원을 투입해 구축한 중이온 가속기(RAON)가 저에너지 전체 가속구간(110m)에서 빔(Beam)을 시운전하는 데 성공했다. 최근 누리호(KSLV-II) 3차 발사 성공에 이어 과학계가 이뤄낸 또 다른 쾌거다. 특히 RAON은 미국·프랑스·독일·중국·일본·캐나다 등 타국의 가속기완 다른 방식으로 운용된다. 향후 국내 기초과학 경쟁력의 강화가 기대되는 대목이다.

국내 기술로 제작된 RAON, 빔 시운전 성공

29일 과학기술정보통신부에 따르면 IBS(기초과학연구원) 중이온가속기연구소는 지난 23일 한국형 초전도 중이온 가속기 저에너지 전 구간에 대한 빔 가속과 빔 인출에 성공했다. 아르곤 빔을 점진 가속해 빔 전류를 21.3μA(마이크로 암페어·시간당 빔 전하량)까지 도달시킨 것이다. RAON은 2010년 개념 설계를 시작으로 가속기동 및 극저온 설비 등 제반 시설을 2021년 5월 완공했다. 핵심 장치인 초전도 가속 장치는 같은 해 12월에 구축 완료했다. RAON 가속장치는 저에너지 구간(가속모듈 54기, 전체 길이 110m)과 고에너지 구간(가속모듈 48기, 전체 길이 180m)으로 나뉘는데, 빔 인출 성공은 저에너지 전체 구간에서 이뤄냈다.

특히 이번 빔 인출은 국내 기술만으로 설계·제작한 시설과 장비들이 연계해 작동됐다는 점에서 의미가 크다. 국내 과학자들은 향후 RAON을 활용해 반도체, 이차전지, 항암치료 등 소재·의료분야에 혁신을 일으킬 수 있을 것으로 보고 있다.

과기정통부는 지난 24일 시운전 결과에 대한 가속기 전문가 회의를 소집했다. 이 자리에서 과기정통부는 빔 인출 데이터를 검토한 결과, 기술적 목표치 달성을 확인하고 초전도 가속기와 극저온 시스템, 중앙제어시스템 등 제반 장치·설비의 건전성과 정합성을 평가했다. 회의 검토 결과는 지난 26일 과기정통부 주관 중이온가속기사업추진위원회를 통해 최종 확정했다. 과기정통부는 이번 시운전 결과를 토대로 가속 시스템 성능 최적화, 실험 장치 연계 시운전, 가속기를 활용한 국내 연구 제안서 선정 기준 마련 등 후속 절차를 마련할 방침이다. 본격적인 운영은 내년 하반기로 계획되어 있다.

오태석 과기정통부 1차관은 “금번 시운전 성공은 그간 막대한 국가 예산이 투입된 한국형 초전도 중이온 가속기의 주요 장치와 설비들의 목표 성능 구현과 정합성을 확인한 차원에서 그 의미가 크다”며 “앞으로 성능 최적화 과정을 거쳐 내년 하반기부터 창의적이고 선도적인 국제 공동연구가 이곳에서 활발히 펼쳐질 수 있도록 다양한 정책적 노력을 다하겠다”고 힘줘 말했다.

중이온 가속기란?

RAON은 중이온 가속기의 일종으로, 중이온 가속기란 아르곤·우라늄 등 무거운 이온을 초속 30만 ㎞의 속도로 가속하고 그 빔 전류를 특정 입자나 물질에 충돌시키는 연구 시설을 일컫는다. 중이온 가속기는 자연 상태에 존재하지 않는 ‘희귀 동위원소'(Rare Isotope)를 만들 수 있으며 이 과정에서 우주와 원소의 기원 및 별의 진화 과정을 밝힐 실험적 데이터를 획득할 수 있다. 이번 저에너지 가속구간 빔 시운전 성공은 우리나라의 과학 저변을 넓힐 가능성을 높였다는 데 의의가 깊다.

우리나라가 중이온 가속기 실험에 최초로 성공한 건 지난 2017년이다. 당시 우리나라는 중이온 가속기의 핵심 장치라 할 수 있는 ‘저에너지구간 초전도가속모듈’의 성능 시험에 성공했다. 저에너지구간 초전도가속모듈은 중이온 가속기의 첫 단추로, 가속기 전단부에 총 22기가 일직선으로 연결돼 중이온을 빛의 속도의 10분의 1 이상으로 가속하는 역할을 한다. 당시 이를 현실화하기 위해 우리나라는 가속관 내부를 7600억 분의 1기압의 초고진공 상태로 유지하는 고난도 기술을 탑재한 것으로 알려졌다.

중이온 가속기, 기초과학에서 항암치료까지 스펙트럼 넓어

중이온 가속기 연구가 원활하게 이뤄진다면 과학계는 또 한 번의 큰 도약을 할 수 있을 것으로 기대된다. 가장 먼저 과학계는 중이온 가속기를 통해 우주와 별의 과거를 밝혀냄으로써 천문학을 기하급수적으로 발달시킬 계획이다. 실제 지난 2010년 우리나라는 우주의 시작인 빅뱅 이후 수백만분의 1초 만에 태어난 갓난아기 우주를 중이온 가속기 실험 과정에서 재현해 낸 바 있다.

우주 생성의 신비를 해결할 수 있는 동위원소 중 현재 인류가 발견하지 못한 것이 약 3,000~6,000종 존재하는 것으로 알려져 있다. 앞으로 중이온 핵융합 반응을 활용해 빛의 속도로 빠르게 가속된 이온이 표적과 부딪칠 경우 아직 밝혀지지 않은 희귀 동위원소도 획득할 수 있다. 아울러 이를 활용해 초신성 중심부의 전자 존재 여부도 검증할 수 있다. 이 같은 희귀 동위원소 검증을 통해 앞으로 우주와 별, 지구의 생성과 진화의 과정을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대를 모은다.

중이온 가속기의 활약은 비단 기초과학에 머물지만은 않을 것으로 보인다. 중이온 가속기는 방사성 폐기물 처리에도 큰 도움이 될 것으로 분석됐다. 전문가들은 중이온 가속기를 활용해 방사성 물질의 반감기를 단기간으로 감소시킬 수 있을 것으로 전망한다. 만일 이것이 실현될 경우, 고준위 폐기물을 ∙저준위로 낮출 수 있게 된다. 새로운 대체 에너지원이 상용화되기 의존도가 상당히 높을 것으로 추정되는 원자력 발전소에 대한 불안감을 낮추는 계기가 될 수 있는 셈이다.

중이온 빔을 활용한 암세포 사멸도 가능하다. 현재 일반적으로 시행되고 있는 X선이나 y선은 암세포뿐 아니라 주변의 정상세포까지 파괴해 버린다. 그러나 중이온 가속기를 사용한 항암치료는 이 같은 부작용을 막을 수 있다. 피부와 같은 표면의 정상조직의 손상을 최소화하면서도 내부에 있는 암세포에 가까이 다가갈수록 더 많은 에너지를 이동시켜 선별적으로 암세포를 사멸시킬 수 있는 것이다. 이를 통해 뇌종양이나 안구 주변의 세포 등 위험한 부위에 대한 치료도 차차 가능하게 될 것으로 전망된다.

실제 독일 및 일본에선 중이온 가속기를 활용해 암을 치료한 사례가 수천 건 넘게 있다. 부작용이 적다는 사실도 이미 확인됐다. 일본 QST병원(구 NIRS)이 주요 의학학술지에 발표한 바에 따르면 수술이 가능한 췌장암 환자에게 수술 전 중입자 치료를 시행한 결과 5년 생존율이 20% 이하에서 53%까지 향상됐다. 수술이 불가능한 췌장암 환자의 경우 항암제와 중입자 치료를 병행할 경우 2년 생존율이 10% 미만에서 66%까지 향상된 것으로 나타났다.

현재 중입자 항암치료에 있어선 일본과 독일이 선두 주자로 달리고 있다. 특히 일본은 세계에서 중입자 치료를 가장 일찍, 또 많이 시행한 나라로 전 세계 중입자 치료기 13개 중 7개가 일본에 있다. 우리나라는 중입자 치료에 있어선 아직 걸음마 단계에 불과하다. 그러나 이번 RAON 빔 시운전 성공은 걸음마 단계를 벗어나기 위한 첫 단추가 될 수 있다는 점에서 상당히 고무적이다. 기초과학에 있어 다소 뒤떨어지는 우리나라가 일약 도약할 수 있을지 그 미래가 기대된다.