중국 파쇄중성자원, 200kW 가동 시작…500kW 증설 추진

둥관 시설, 설계 당시보다 두 배 높은 출력 달성

광둥성 둥관에 있는 중국 파쇄중성자원이 빔 출력 200kW로 연구자 대상 운영을 시작했다. 이는 원래 설계에 명시된 출력의 두 배다. 중국과학원 고에너지물리연구소는 10월 24일, 약 한 달간 가속기를 조정한 끝에 10월 20일 이 시설이 이정표에 도달했다고 발표했다.

이번 성과로 이용자에게 개방된 중성자 장비 11기의 역량이 즉시 향상됐다. 또 빔 출력을 500kW로 높이는 2단계 건설 사업인 CSNS-II에 필요한 장비와 운영 방법을 시험하는 계기가 됐다.

연구소는 출력이 높아지는 동안 가속기 전문가들이 빔 손실을 줄였다고 밝혔다. 빔에서 벗어난 입자는 주변 장비에 에너지를 전달해 안정적인 운영을 어렵게 만들 수 있으므로, 입자를 원래 경로에 더 많이 유지하는 것이 중요하다.

이번 작업은 가속기에만 국한되지 않는다. 200kW 가동에 맞춰 냉각 설계를 적용한 새 표적 T8을 설치해 9월 25일 시험했다. 정비팀은 연구자들이 재료를 분석할 때 사용하는 장비도 정비했다.

배터리, 합금, 생물학적 재료와 그 밖의 시료를 연구하는 과학자에게 실질적인 가치는 실험에 도달하는 중성자에 있다. 더 강한 중성자원은 유용한 측정값을 더 빠르게 모으고, 더 작은 시료나 더 세밀한 분석이 필요한 연구를 뒷받침할 수 있다. 시설은 이제 원래 출력의 두 배에 도달했으며, 2단계의 최종 목표를 이루려면 가속기 추가 건설이 필요하다.

양성자 빔이 연구 도구가 되는 과정

CSNS는 양성자를 가속한 뒤 표적에 충돌시켜 중성자를 만든다. 충돌 과정에서 파쇄라고 불리는 반응을 통해 중성자가 방출된다. 장비는 이 중성자를 시료 쪽으로 유도하고 산란 양상을 측정한다.

과학자들은 산란된 중성자의 방향, 에너지와 운동량 변화를 분석해 원자의 배열과 움직임을 알아낸다. 간단히 말해, 이 입자들은 일반 현미경으로 볼 수 없을 만큼 작은 구조를 탐사하는 도구다.

빔 출력은 양성자 빔이 매초 전달하는 에너지를 뜻한다. 출력을 높이면 중성자원이 더 많은 중성자를 만들어 연구자들이 더 많은 정보를 수집할 수 있다. 개별 실험이 얻는 이점은 사용 장비와 시료, 측정 방식에도 달려 있다.

연구자들이 기대할 수 있는 성과

고에너지물리연구소 부소장이자 증설 사업 총괄책임자인 왕성은 2024년 3월 2단계 건설이 시작됐을 때 기대되는 과학적 성과를 설명했다.

왕은 “2단계가 완료되면 중성자원이 동시에 더 많은 중성자를 생성할 수 있습니다. 실험 시간이 줄고 분해능이 향상돼 더 작은 시료를 측정하고 더 빠른 동적 과정을 연구할 수 있습니다”라고 말했다.

측정 시간이 줄면 더 많은 연구 프로젝트가 장비를 이용할 수 있다. 분해능이 높아지면 이전에는 서로 구별되지 않던 세부 사항을 가려낼 수 있고, 측정 속도가 빨라지면 재료 내부에서 일어나는 변화를 추적하는 데 도움이 된다.

이 시설은 이미 리튬이온 배터리, 태양전지, 항공우주 부품, 자성 재료, 초전도체, 박막과 고강도 합금 연구를 지원하고 있다. CSNS 사용자 실험 및 응용을 총괄하는 장쥔룽은 2단계 사업 착수 당시 시설의 연구 분야를 설명하며 이들 분야를 언급했다.

이러한 연구 주제는 가속기를 실용적인 문제와 연결한다. 배터리 연구는 사용 중 재료의 변화를 살펴볼 수 있고, 합금과 항공우주 부품 연구는 내부 구조와 성능의 관계를 파악하는 데 도움이 된다. 증설 사업은 생명과학, 신약 개발과 촉매 설계 분야의 연구 확대도 목표로 한다.

여름철 가동 중단 기간 활용한 건설

CSNS-II 팀은 예정된 연구의 중단을 최소화하면서 장비를 설치하기 위해 매년 여름 가동 중단 기간을 활용한다. 이에 따라 기존 과학 시설을 운영하면서 건설, 장비 시험과 가속기 조정을 진행해야 하는 빠듯한 일정이 요구된다.

최근 가동 중단 기간에는 선형가속기 앞부분의 장비와 모든 고체 상태 변조기, 급속 순환 싱크로트론의 세 번째 자성 합금 공동을 설치하고 시험했다. 변조기는 제어된 전기 펄스를 공급하고, 공동은 빔 가속에 필요한 에너지를 제공한다.

선형가속기는 입자를 직선 경로로 보낸 뒤 싱크로트론으로 전달한다. 싱크로트론에서는 입자가 원형 경로를 돌며 추가로 에너지를 얻는다. 빔이 요구되는 상태로 표적에 도달하려면 두 부분의 장비가 함께 작동해야 한다.

연구소에 따르면 CSNS-II용으로 계획된 가속기 장비 중 초전도 구간을 제외한 모든 장비의 설치가 끝났다. 남은 구간은 선형가속기의 빔 에너지를 3억 전자볼트, 즉 300MeV까지 높이는 데 필요한 작업의 일부다.

밀도가 높은 빔의 제어

출력이 높아지면서 가속기 조정은 더 어려워졌다. 장비 설정의 변화가 빔 내부의 힘과 주변 환경의 영향과 맞물려 입자 집단이 불안정해질 수 있는 조건을 만들었다.

한 가지 난제는 같은 전하를 띤 입자 사이의 전기적 반발력인 공간전하였다. 또 다른 난제는 빔과 가속기 구조물 사이의 상호작용으로, 빔 임피던스 효과라고 불린다. 이런 효과가 함께 작용하면 빔이 교란되고 경로에서 손실되는 입자 수가 늘어날 수 있다.

가속기팀은 업그레이드된 선형가속기의 핵심 구간인 무선주파수 사중극자(RFQ)와 중에너지 빔 수송 구간(MEBT)을 조정했다. 이 구간들은 빔의 다음 단계에 앞서 빔을 준비하고 가속하며 유도한다.

연구소는 운전 모드를 크게 바꿔 빔의 집단 불안정성을 해소했다고 밝혔다. 또 빔 밀도 지수가 국제적으로 보고된 비슷한 가속기의 최고 수준을 넘어섰다고 밝혔다. 발표에는 해당 지수의 수치나 빔 손실이 줄어든 정도는 공개되지 않았다.

손실 감소는 출력 목표 달성 이상의 성과다. 더 까다로운 빔을 운전하면서 더 많은 입자를 제어할 수 있는 방법을 팀이 입증했기 때문이다.

새 표적 설치와 장비 정비

T8 표적은 가속된 양성자가 충돌해 중성자를 방출하는 지점에 놓인다. 200kW 가동에 맞춘 냉각 설계를 적용했으며, 새로운 온도 모니터링 시스템이 표적판의 상태를 추적한다.

빔 출력이 높아질수록 열 관리도 더 까다로워진다. T8에서 측정한 값은 CSNS-II에 필요한 고출력 표적 설계에 반영될 예정이다. 이를 통해 시설이 500kW를 향해 나아가기 전에 엔지니어들이 실제 운영 경험을 쌓을 수 있다.

이용자에게 개방된 장비 11기도 여름철 정비를 받았다. 산란실, 초퍼, 검출기와 시료 환경 장치가 정비 대상에 포함됐다. 이들 장치는 실험의 수행 방식과 측정 결과에 모두 영향을 준다.

초퍼는 중성자 펄스 중 장비를 통과하는 부분을 제어한다. 검출기는 산란된 중성자를 기록하고, 시료 환경 장치는 과학자들이 서로 다른 온도와 같은 특정 조건에서 재료를 연구할 수 있도록 한다. 이러한 시스템을 정비하면 시설의 실험 부문도 더 강한 중성자원을 활용할 준비를 갖추게 된다.

500kW 계획으로 확장되는 역량

고에너지물리연구소는 사업 착수 발표에서 CSNS-II의 규모를 제시했다. 착수 회의는 2024년 3월 30일 둥관에서 열렸으며, 명시된 건설 기간은 5년 9개월이다.

공식 계획은 빔 출력을 100kW에서 500kW로 높이고 중성자 분광기 수를 11기에서 20기로 늘리는 것이다. 고에너지 양성자를 이용한 실험용 장비를 포함해 실험 단말기 두 곳을 추가하는 계획도 담겼다. 건설 계획에는 새 장비와 단말기뿐 아니라 사용자 실험실도 포함된다.

분광기를 11기에서 20기로 늘리면 장비 9기가 추가돼 약 82% 확충된다. 출력 목표는 원래 설계인 100kW의 5배다. 현재 200kW로 운영되는 시설은 계획된 최종 출력의 40%에 도달했지만, 건설 진행 상황은 이 한 가지 지표만으로 판단할 수 없다.

최근 발표에 따르면 사업은 건설이 절반가량 진행됐다. 건물 공사는 9월 말 완료됐고, 2켈빈에서 약 1kW의 냉각 능력을 갖춘 헬륨 냉동기가 10월 15일 설치됐다. 2켈빈은 섭씨 영하 약 271도로, 초전도 가속기 시스템에 사용되는 온도다.

증설의 주요 일정

CSNS는 최초 건설 사업을 마친 뒤 이용자 운영과 병행해 확장 사업을 진행하고 있다. 주요 일정을 보면 이번 성과가 장기간에 걸친 사업에서 어떤 위치에 있는지 알 수 있다.

• 2011년: 투자액 23억 위안 규모의 기존 CSNS 사업 건설 시작.
• 2018년 8월: 시설 운영 시작.
• 2024년 3월 30일: 둥관에서 CSNS-II 착수 회의 개최. 건설 기간은 5년 9개월로 제시.
• 최근 증설 작업 기간인 9월 25일: T8 표적 설치 및 시험.
• 9월 말: 2단계 사업 건물 공사 완료.
• 10월 15일: 2켈빈 가동용 헬륨 냉동기 설치.
• 10월 20일: 약 한 달간 빔을 조정한 뒤 200kW 이정표 달성.
• 10월 24일: 고에너지물리연구소, 더 높은 출력으로 이용자 대상 운영 시작 발표.

연구소가 제시한 다음 가속기 단계는 선형가속기 빔 에너지를 300MeV로 높이는 것이다. 이번 시운전에서 얻은 경험은 이 작업과 이후 출력 증대의 지침이 될 예정이다.

가속기 너머로 이어지는 수요

고에너지물리연구소의 2024년 착수 발표에 따르면 CSNS가 2018년 가동을 시작한 이후 등록 이용자는 6,000명을 넘어섰고 완료된 실험 프로젝트는 1,500건 이상이다. 이 수치는 착수 발표 당시 시설의 현황을 보여준다.

연구소에 따르면 완료된 프로젝트 가운데 홍콩, 마카오, 대만과 해외 이용자가 참여한 사례는 100건이 넘는다. 이용자층은 에너지, 물리학, 재료와 공학 분야에 걸쳐 있어 장비 이용뿐 아니라 다양한 실험 조건에 대한 수요도 커지고 있다.

이용자 실험과 응용을 담당하는 장쥔룽은 착수 행사에서 증설이 필요한 이유를 설명했다.

장쥔룽은 “이용자 수요가 증가하고 있어 CSNS를 증설해야 할 필요성이 시급합니다”라고 말했다.

2단계 사업은 서로 맞물린 두 가지 방식으로 이러한 수요에 대응한다. 더 강한 빔은 일부 측정을 빠르게 하고, 추가 장비는 연구자들이 실험을 수행할 장소와 방법을 늘린다. 이용자에게 성과를 내려면 두 요소가 함께 작동해야 한다. 더 강한 중성자원과 그 중성자를 연구 결과로 전환할 충분한 실험 역량이 모두 필요하다.

핵심 내용

• CSNS는 10월 20일 200kW에 도달해 원래 설계 출력의 두 배로 이용자 대상 운영을 시작했다.
• 연구소는 장비 조정과 운전 모드 변경으로 출력이 높아지는 동안 빔 손실이 줄었다고 밝혔다.
• 새 T8 표적 설치와 이용자 장비 11기 정비로 고출력 운영을 뒷받침한다.
• CSNS-II는 출력 500kW와 중성자 분광기 11기에서 20기로의 확충, 실험 단말기 추가를 목표로 한다.
• 초전도 가속기 구간은 아직 설치되지 않았으며, 선형가속기 에너지를 300MeV로 높이는 것이 다음 단계 중 하나다.
• 이번 증설은 더 빠른 측정, 더 작은 시료 분석과 폭넓은 연구를 지원하기 위한 것이다.