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신소재 개발하고 암 치료 꿈의 양성자 공장 문 열다

지난해 말 경북 경주에 들어선 한국원자력연구원의 양성자가속기가 약 반년간의 시운전을 마치고 22일부터 본격 가동된다. 초당 약 12경(1조의 12만 배) 개의 양성자를 가속할 수 있는 대용량 가속기로, 양성자 빔 전류 크기(최대 20㎃) 기준으로 세계 3위에 해당한다. 양성자 빔은 나노입자·고효율 반도체 소자 등 신물질 개발과 의료용(암 치료) 동위원소 생산 등에 활용된다. 미래창조과학부는 과학위성 부품 제조업체인 ㈜파이버프로가 첫 이용자로 선정됐다고 21일 밝혔다.



 양성자가속기는 수소원자에서 전자를 떼어내고 남은 양성자에 고전압의 전기장을 걸어 가속시키는 장치다. 가속 에너지가 크면 클수록 양성자의 속도가 빨라지고, 다른 물질에 충돌시켜 더 큰 반응을 일으킬 수 있다. 경주 양성자가속기는 최대 100MeV로 양성자를 빛의 속도의 43%인 초속 13만㎞까지 가속할 수 있다. 가속된 양성자는 표적물질의 원자핵을 쪼개 새로운 물질(신종 동위원소)과 중성자를 만들어 낼 수 있다.



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 양성자가속기의 성능을 따지는 또 다른 기준은 양전자 빔 전류의 크기다. 빔 전류가 크면 클수록 한 번에 가속할 수 있는 양성자의 개수가 많다는 의미다. 경주 가속기는 최대 빔 전류 크기가 20로 초당 약 12경 개의 양성자를 가속할 수 있다. 이보다 빔 전류가 큰 가속기는 일본 원자력연구개발기구의 J-PARC(30)와 미국 오크리지국립연구소의 SNS(26)뿐이다.



 양성자가속기연구센터의 김귀영 책임연구원은 “양성자 빔으로 표적을 때릴 때 반응이 일어나는 확률은 양성자 개수에 비례한다. 빔 전류가 크다는(양성자를 많이 가속할 수 있다는) 것은 그만큼 실험시간을 줄여 생산성을 높일 수 있다는 의미”라고 설명했다.



 양성자가속기 개발 사업은 2002년 시작됐다. 하지만 방사성폐기물처분시설 사업과 연계되면서 2006년에야 입지(경주)가 결정됐다. 또 2008년 작업 현장에서 신라시대 가마터가 발견되면서 공사가 늦춰졌다. 지금도 공사가 다 끝난 것은 아니다. 전체 사업비의 37.6%(부지 포함 총 1182억원)를 부담하기로 한 경주시가 예산을 확보하지 못해 이용자 숙소 등 지원시설을 짓지 못했다. 원자력연구원은 “경주시와 협력해 공사를 조속히 마치겠다”고 밝혔다. 연구원 은 중장기적으로 가속기를 1GeV급으로 확장할 계획도 갖고 있다.



 경주 양성자가속기의 가동으로 국내 운용 중인 대형 가속기는 포항의 방사광가속기에 이어 2기로 늘었다. 포항 방사광가속기는 양성자 대신 전자를 가속하는 장치다. 빠르게 움직이던 전자가 방향을 바꿀 때 나오는 방사광을 이용해 물질 내부를 들여다볼 수 있다. 양성자가속기가 물질 구조를 바꾸는 ‘손’이라면 방사광가속기는 ‘눈’에 해당한다. 양성자보다 무거운 원자를 가속하는 중이온가속기(과학비즈니스벨트 내 기초과학연구원)와 중이온 중 탄소이온을 가속시켜 암세포를 죽이는 중입자가속기(부산 동남권원자력의학원)는 각각 2017년과 2016년 완공될 예정이다.



김한별 기자



◆전자볼트(eV)= 1eV는 양성자가 1V의 전압이 걸려 있는 금속판 사이를 지나면서 얻는 에너지를 나타낸다. 100MeV는 1.5V 건전지 6700만 개를 직렬로 연결해야 얻을 수 있는 에너지다.
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