Collaborative Research on Neutron Reactions

Do Heon KIM, Hyeong Il KIM, Sung-Chul YANG, Jounghwa LEE, Tae-Yung SONG, Dal-Ho MOON and Haelee HYUN

Nuclear data serve as a fundamental infrastructure for nuclear and radiation technologies and are essential in various fields such as reactor design and safety analysis, radioactive waste management, radiation medicine, and fusion research. Korea Nuclear Data Center (KNDC) is leading neutron reaction research through a collaborative project launched in 2024 between top-tier research institutions in Korea and Japan. This collaboration includes joint neutron reaction measurements using major accelerator facilities in Korea and Japan, such as RAON NDPS, RIKEN RIBF, and J-PARC MLF(ANNRI). In addition, the project will continue to promote talent development and academic exchange programs, including the Korea-Japan Joint Summer School and the Asian Nuclear Reaction Database Workshop. This collaboration is expected to enhance the reliability of nuclear data and strengthen their international applicability, contributing to improved competitiveness in future nuclear and radiation applications.

들어가며

핵데이터는 원자력 및 방사선 기술의 기초 인프라로서 원자로 설계·안전해석, 방사성 폐기물 관리, 방사선 의학, 핵융합 연구 등 다양한 분야에서 필수적으로 활용된다. 한국핵데이터센터(KNDC)는 2024년 착수한 한·일 탑티어 연구기관 간 연구 협력 사업에서 중성자 핵반응 연구를 주도하고 있다. 본 연구 협력에는 한국과 일본의 주요 가속기 실험시설인 RAON/NDPS, RIKEN/RIBF, J-PARC/MLF (ANNRI)를 활용한 중성자 핵반응 측정 공동연구가 계획되고 있다. 또한, 한·일 공동 여름학교와 아시아 핵반응 DB 워크숍 등과 같은 인력 양성 및 학술 교류 프로그램을 지속할 예정이다. 본 협력은 신뢰성 높은 핵데이터 확보와 국제적 활용성을 강화하여 미래 원자력 및 방사선 응용 분야의 경쟁력 향상에 기여할 것이다.

서 론

핵데이터는 원자핵의 물리적 특성과 핵반응에 대한 수치적 정보를 체계적으로 정리한 자료로서, 원자력 및 방사선 응용 기술의 기초가 되는 핵심 인프라이다. 핵데이터에는 중성자, 양성자, 알파입자 등 입자와 원자핵 사이의 상호작용 결과로 얻어지는 반응 단면적(cross section), 산란각 분포, 2차 입자 에너지 스펙트럼, 방사화 계수, 붕괴 상수(decay constant), 핵종 생성률 등 다양한 항목이 포함된다.

이러한 데이터는 원자력 발전소의 설계와 안전 해석, 방사성 폐기물 관리, 방사선 치료 및 진단, 핵융합 에너지 개발, 기초 핵물리 연구 등 매우 광범위한 분야에서 필수적으로 활용된다(그림 1 참조). 특히 중성자와 핵 간의 반응에 대한 정확한 정보는 원자로 물리 해석 코드의 입력 자료로 사용되며, 설계 최적화와 안전성 향상에 결정적인 역할을 한다.

Fig. 1. Production and Application of Nuclear Data (원자핵데이터의 생산 및 활용).

핵데이터의 정밀도는 그 응용결과의 신뢰성과 직결되기 때문에, 세계 각국은 고정밀 실험 및 이론 모델링을 통해 데이터를 지속적으로 확보·검증하고 있다. 이를 위해 정교한 검출기와 고속 처리 시스템, 시뮬레이션 기반의 평가 기법 등이 사용되며, 이들 요소는 상호보완적으로 작동한다. 특히 최근에는 데이터 기반 인공지능(AI) 기술과 결합한 자동화된 평가 및 검증 체계가 주목받고 있다.

따라서 고정밀도 핵데이터를 확보하고 이를 국제 표준에 맞게 정리·제공하는 일은 단지 연구적 필요를 넘어, 국가 과학기술 경쟁력과도 직결되는 핵심 전략 분야라 할 수 있다. 이러한 배경에서 한국핵데이터센터는 실험, 이론, 평가, 응용을 아우르는 데이터 생산과 활용 기반을 체계화하고자 노력하고 있다.

핵데이터 연구현황

한국원자력연구원(KAERI) 산하 한국핵데이터센터(KNDC)는 국내의 핵데이터 연구를 총괄하며, 국제 협력 네트워크와의 연계를 통해 고품질 데이터를 생산하고 있다. 본 센터는 브룩헤이븐 국립연구소 핵데이터센터(BNL/NNDC), 경제협력개발기구/원자력기구 데이터뱅크(OECD/NEA DB), 국제원자력기구 핵데이터부(IAEA/NDS) 등의 핵데이터센터 주관으로 개발하는 평가 핵데이터 파일(ENDF/B,1) JEFF,2) FENDL3) 등)의 생산 및 검증을 지원하며, 국내에서 필요한 자료에 대한 맞춤형 라이브러리 개발과 보급을 수행 중이다.

또한 KNDC는 국제 핵반응데이터센터 네트워크(NRDC)의 정식 회원(그림 2 참조)으로 활동하며,3) 실험 데이터의 국제 표준화 및 통합 데이터베이스(EXFOR) 구축에 기여하고 있다. NRDC 회원국 간의 정기적인 기술회의에 참여하여 데이터 품질 향상 및 신규 데이터 수집 전략을 논의하고 기존 데이터의 정합성 검토와 오류 정정 작업을 수행하고 있다. 이것은 국제 평가핵데이터 파일 개발의 기반이 되는 실험 정보를 체계적으로 공유함으로써, 국내 데이터의 국제적 활용성을 높이는 데 기여한다.

Fig. 2. Current Status of International Nuclear Data Centers (국제 핵데이터센터 현황).

최근에는 중성자 유도 핵반응에 대한 실험적 데이터 확보에 집중하고 있으며, 이를 위해 다양한 국내외 실험시설과 협업하고 있다. 또한, 핵데이터 이용자의 요구에 따른 방사선 전산모사용 라이브러리를 제작·배포하고 있으며, 핵데이터의 시각화 기능을 포함한 다양한 웹서비스(https://atom.kaeri.re.kr)를 병행하고 있다. 이외에도, 중성자 단면적의 공분산 데이터 평가 및 불확도(uncertainty) 해석, 핵분열 반응 모델 개발, 선진원자로용 열중성자 산란 데이터 생산 연구 등 미래지향적 연구에도 역량을 집중하고 있다.

한·일 중성자 핵반응 연구 협력

KNDC는 한국 및 일본의 주요 핵물리 실험시설을 이용한 한·일 중성자 핵반응 연구 협력을 추진하고 있다. 한국의 시설로는 기초과학연구원(IBS) 중이온가속기(RAON)의 NDPS (Nuclear Data Production System)4)를, 일본의 시설로는 일본이화학연구소(RIKEN)의 RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory)5)와 일본원자력연구개발기구(JAEA) 산하 일본양성자가속기연구단지(J-PARC)의 MLF (Materials and Life Science Experimental Facility)6)를 활용할 예정이다.

1. RAON/NDPS 시설

NDPS는 최대 83 MeV의 양성자와 98 MeV의 중양자를 펄스 형태로 각각 리튬 및 그라파이트 타겟에 입사시켜 중성자 빔을 생성할 수 있는 장치를 갖추고 있다. 여기서 생성되는 고품질의 고에너지 중성자는 다양한 핵데이터 측정 연구에 활용될 수 있다. KNDC는 우선적으로 국내 실적이 전무한 중성자 유도 핵분열 반응 단면적을 측정할 계획이다. 이를 위해 원형의 진공 챔버를 제작하였고, 하전입자 검출용 실리콘검출기와 중성자 모니터링용 평행판 어발란치 검출기(PPAC)를 설치하였다(그림 3 참조). 현재 전기증착을 통한 실험용 핵분열 타겟 제작, 알파 분광법을 이용한 타겟의 면밀도 측정 등이 수행되고 있다. 또한 NDPS는 약 50 m에 이르는 긴 비행거리를 확보하고 있어서 비행시간법(TOF)을 이용한 전단면적(total cross section) 측정에도 활용될 수 있다.

Fig. 3. Vacuum Chamber, Silicon Detectors, and Conceptual Diagram for Fission Reaction Measurements at the NDPS Facility (NDPS 시설을 이용한 핵분열 반응 측정용 진공 챔버, 실리콘 검출기, 핵분열 측정 개념도).

2. RIKEN/RIBF 시설

RIBF는 세계 최고 수준의 희귀동위원소 가속기 시설로, 고에너지 우라늄빔을 사용하여 다양한 방사성동위원소를 생성하고 이를 활용한 첨단 핵반응 실험을 수행한다. RIBF에서는 2010년대 중반 장수명 핵분열생성물(LLFP)을 안정 또는 단수명 방사성동위원소로 핵변환하는 핵반응을 연구하는 프로젝트가 ImPACT (Impulsing Paradigm Change through disruptive Technologies) 프로그램의 일환으로 수행되었다.7) 이는 RIBF에서 생성된 불안정 동위원소를 양성자 또는 중성자 타겟에 충돌시키는 역운동학(inverse kinematics) 기반의 핵반응 실험으로, 핵분열생성물과 같은 불안정 동위원소의 핵반응 단면적을 정밀하게 측정할 수 있다. 한·일 연구팀은 장수명 핵분열생성물의 핵변환 반응 단면적 측정을 위한 공동 연구를 기획하고 있다.

3. J-PARC/MLF(ANNRI) 시설

J-PARC는 일본의 대형 양성자가속기 복합단지로, 400 MeV, 600 MeV 선형가속기와 3 GeV, 50 GeV 싱크로트론을 운영 중이다. 핵데이터 측정에는 MLF 시설이 사용되는데, 400 MeV, 600 MeV 선형가속기와 3 GeV 싱크로트론으로 가속된 양성자 빔을 액체 수은 타겟에 조사하여 핵파쇄로 발생된 중성자를 이용한다. KNDC와 JAEA 핵데이터센터(NDC) 공동 연구팀은 MLF 핵데이터 측정실에 설치된 고정밀 감마선 측정 장치인 ANNRI (Accurate Neutron-Nucleus Reaction Measurement Instrument)를 이용하여 차세대 용융염원자로(MSR) 개발의 핵심 원소인 염소(Cl)의 중성자 포획반응 단면적을 측정할 계획이다.

한·일 공동 학술 프로그램

한·일 양국 간 학문적 교류 확대, 신진 연구인력 양성 등을 위해 다양한 프로그램을 정기적으로 운영하고 있다.

양국의 원자력학회가 공동 후원하는 ‘한·일 공동 여름학교’는 2년 주기로 양국에서 교차 개최되고 있다. 본 여름학교는 양국의 대학생/대학원생 및 신진연구자에게 가속기/빔과학, 핵데이터, 노물리, 방사선공학 등 원자력 분야의 전문지식과 연구개발 현황을 접할 기회를 제공하고 있다(그림 4 참조).

Fig. 4. The 10th Korea-Japan Joint Summer School (제10회 한·일 공동 여름학교).

‘아시아 핵반응 DB 개발 워크숍’은 일본 학술진흥회(JSPS)의 아시아-아프리카 과학 플랫폼 프로그램(AASPP)의 일환으로 시작되었고, IAEA/NDS의 후원하에 매년 한국, 일본, 중국, 인도, 카자흐스탄, 몽골에서 순환 개최되고 있다. 이 워크숍을 통해 아시아 각국의 연구자들에게 핵반응 측정 DB의 최신 편집 기술이 전수되며, 각국의 활동 내용을 공유하는 기회를 제공한다.

맺음말

정확하고 신뢰할 수 있는 핵데이터의 확보는 원자력 및 방사선 과학기술 전반의 근간이 된다. 중성자 핵반응에 대한 국제 공동연구는 개별 국가의 한계를 뛰어넘는 성과 창출을 가능케 하며, 데이터 품질 향상과 기술 공유에 중대한 기여를 한다. 한국핵데이터센터는 이러한 국제 협력과 인력 양성 기반을 바탕으로, 향후 국제 표준 평가 핵데이터의 생산, 차세대원자로 및 방사선 응용 기술에 필요한 고정밀 핵데이터 공급이라는 역무를 지속적으로 수행할 것이다.

이 논문은 2025년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단(No.RS-2024-00436392) 및 한국원자력연구원(No.524560-25)의 지원을 받아 수행된 연구임.