TOP-Tier Platform in Extreme Rare Isotope Science (TOPTIER)

Taeksu SHIN, DeukSoon AHN, Jinho LEE, Do Gyun KIM and Hee Joong YIM

The TOPTIER (Top-Tier platform In Extreme Rare Isotope science) initiative represents a strategic international collaboration between South Korea’s RAON(Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiments) and Japan’s RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory), two of the world’s leading rare isotope (RI) beam facilities. Launched in July 2024, TOPTIER aims to establish a sustainable platform for joint research, researcher exchange, and shared infrastructure in the field of nuclear physics. This paper outlines the motivations behind TOPTIER’s creation, its three-stage development roadmap (2024–2033), and major goals including the discovery of extreme neuron-rich isotopes. Notable Korean-led projects approved by RIKEN's Program Advisory Committee demonstrate the increasing impact of this collaboration. Furthermore, the platform supports global talent cultivation through summer schools, workshops, and postdoctoral programs. By integrating complementary strengths in RI beam production and experimental capabilities, TOPTIER is poised to become a global hub for extreme rare isotope research and to contribute to a deeper understanding of the origin of matter and the universe.

들어가며

국내 우수 연구기관과 세계 최고 수준의 연구기관 간 국제공동연구 수행, 인력교류, 정보교환 등을 통해 국내의 연구 역량을 강화하고, 지속 가능한 협력 체계를 구축하고자 하는 탑티어(TOPTIER) 사업에 대해 소개하고자 한다. 전 분야에 걸쳐 총 4개의 탑티어 과제가 선정되었으며, 한국 중이온가속기 RAON(Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiments)을 통해 일본의 RIKEN RIBF(Radioactive Isotope Beam Factory)와 함께 극한희귀동위원소를 탐색하고 새로운 과학기술을 개척하는 것을 목표로 극한희귀동위원소과학 국제협력 플랫폼 구축 사업을 추진한다. 탑티어 사업은 국가 차원의 전략적·체계적 글로벌 연구개발(R&D)을 추진하기 위한 협력 플랫폼의 개념을 실질적으로 적용한 국제협력 R&D 사업이며, 국내-해외 탑티어 연구기관 대상으로 세계 최고·최초 기술 개발 및 글로벌 문제해결을 지향하는 지속 가능한 협력 플랫폼을 구축하고자 한다.

본 특집호에서는 2024년 7월 출범한 극한희귀동위원소과학 국제협력 플랫폼에 대한 소개와 국제공동연구 계획에 대해 소개하고, 핵물질·핵구조의 기본 대칭성, 핵데이터의 생산, 차세대원자로 및 방사선 응용 기술용 고정밀 핵데이터, 희귀동위원소과학 분야의 일본과 한국 핵물리 이론 등의 연구 및 협력 내용에 대해 소개하고자 한다.

서 론

21세기 과학기술 환경은 점점 더 글로벌화되고 있으며, 국가 간 협력은 연구개발의 필수 요소로 자리 잡고 있다. 특히, 첨단과학 분야에서는 단일 국가의 역량만으로는 대응하기 어려운 복잡하고 다학제적인 연구 주제가 증가하고 있다. 이에 따라, 한국 과학기술정보통신부(MSIT)는 세계 최고 수준의 국제 공동연구 생태계를 조성하고, 글로벌 과학 리더십을 확보하기 위한 전략으로 탑티어 사업을 추진하고 있다.1)

탑티어 사업은 한국과 세계 유수 연구기관 간의 지속 가능한 R&D 플랫폼 구축을 목표로 한다. 혁신적 연구개발(Innovative R&D)을 통해 세계 최초·최고 수준의 연구성과 창출, 글로벌 과학기술 혁신역량(Global STI Capacity) 강화, 그리고 지속 가능한 협력 시스템(Sustainable Cooperation System) 구축을 통해 국제 협력의 구심점으로서 지속 가능성을 확보하고자 한다.

극한희귀동위원소과학 국제협력사업

희귀동위원소(Rare Isotope, RI) 과학은 자연계에서 발견이 어려운 미지의 희귀동위원소를 생성하고 그 성질을 탐구함으로써, 우주 원소 기원의 연구, 핵천체물리, 핵반응, 핵구조 연구, 희귀동위원소를 활용한 신물질, 반도체 및 핵의학 등의 활용 연구를 가능케 한다. 한국의 RAON과 일본의 RIBF은 아시아를 대표하는 대형 희귀동위원소 빔 시설로 주목받고 있다

극한희귀동위원소 과학 국제협력사업 TOPTIER(TOP-Tier platform In Extreme Rare isotope science)는 이 두 기관의 협력을 바탕으로 설립된 새로운 국제 공동연구 플랫폼으로, 2024년 7월에 탑티어 연구기관으로 선정, 희귀동위원소과학 분야의 한-일 국제공동연구를 추진하고 있다.

1. 탑티어(TOPTIER) 사업과 단계적 전략

RAON은 기초과학연구원(IBS) 중이온가속기연구소(IRIS)의 희귀동위원소 빔 생성 및 활용 연구시설이며, ISOL (Isotope Separation On-Line)과 IF (In-Flight) 두 가지 빔 생성 방식을 모두 갖춘 세계적으로 유일한 시설이다.2) 반면, 일본 RIKEN의 RIBF는 IF 방식으로 빔을 생성하여, 새로운 동위원소를 발견하며 세계적인 연구 성과를 지속하고 있다.3) 이러한 양국 시설 간 협력을 통해 극한희귀동위원소 빔 생성, 핵반응 및 핵구조 실험, 핵천체물리학, 핵물질 상태 탐색 등 다양한 핵물리 분야에서의 탑티어 사업단 설립은 RI빔 생성 및 활용 분야의 시너지를 극대화하는 데 목적을 둔다.

이전까지의 개별 연구 협력은 단발적인 공동연구에 머무르는 경우가 많았다. 이에 따라 지속적이고 체계적인 연구 교류를 위한 플랫폼 구축의 필요성이 제기되었고, 2024년 IBS와 RIKEN 간 MOU 체결 및 국제공동연구를 통해 본격적인 플랫폼 구축이 시작되었다.

탑티어 사업단은 장기적 연구 협력 활성화를 위해 총 10년(3+4+3년) 동안 다음과 같은 로드맵을 설정하였다:

1단계: 플랫폼 구축, 공동연구 기획, 연구자 교류 시작
2단계: 공동실험 확대, 기기 공동개발, 공동논문 증가
3단계: RI 빔 기반의 융합 연구 확장 및 글로벌 리더십 확보

이러한 전략은 연구 인프라 공유, 연구자 교육 프로그램 운영, 그리고 글로벌 심포지엄 개최 등을 포함한다.

탑티어 사업단은 한국의 기초과학연구원(중이온가속기연구소, 희귀핵연구단), 서울대학교, 고려대학교, 한국원자력연구원 및 일본의 RIKEN RIBF Nishina Center, 동경대학교 원자핵과학연구센터(CNS), 고에너지가속기연구기구(KEK) 와코 핵 과학 연구센터(WNSC)가 참여하여 양국의 핵심 희귀동위원소 핵과학 생성 및 활용연구시설을 기반으로 극한희귀동위원소 생성, 핵 구조 및 희귀핵 분광, 핵물질 상태, 핵 천제, 중성자 핵데이터, 질량 측정 등의 희귀동위원소를 활용한 핵과학 및 활용 연구를 수행하는 프로젝트 서브그룹을 구성하여 진행 중이다.

현대 핵물리학의 핵심 질문 중 다수는 안정핵이 아닌 극한 영역의 희귀 동위원소를 관찰하고 분석함으로써 풀 수 있다.4) 이러한 희귀 핵종은 우주의 기원, 별의 진화, 그리고 중성자별 내 물질의 거동 등을 이해하는 데 중요한 실마리를 제공하며, 나아가 방사선 치료, 동위원소 추적, 신소재 개발 등 다양한 응용 분야로 확장 가능하다.

이러한 학문적·기술적 필요로, 중이온가속기건설구축사업단(RISP)은 한국형 차세대 가속기 시설인 RAON의 건설을 추진하고 2022년도에 1단계 구축 사업을 완료하였다. RAON은 2023년도에 저에너지 가속기의 빔 초기 실험에 성공5)6) 후, 2024년 저에너지 가속기 빔을 국내 이용자에 제공하여 빔 실험을 성공적으로 수행하였다.

Fig. 1. Diagram of the Coupling Scheme between RAON ISOL and In-Flight (IF) Rare Isotope Systems.7)

RAON의 가장 큰 특징은 그림 1에 보인 바와 같이 ISOL과 IF 방식의 동시 구현 및 결합에 있다. 이로 인해 기존 시설들과 차별화된 폭넓은 희귀동위원소 생산 영역을 갖출 수 있으며, 세계 최고 수준의 희귀동위원소 핵 과학 연구 인프라로 평가된다.

2. 탑티어 국제공동연구

RAON에서는 극한희귀동위원소를 효율적으로 생성하기 위해 ISOL 방식과 IF 방식을 결합한 빔 생성 연구가 필요하다. ISOL 방식은 가벼운 원소 이온을 가속하여 무거운 표적에 충돌시켜 특정 희귀동위원소를 대량으로 생성하는 방법이며, IF 방식은 무거운 원소 이온을 가속해 가벼운 표적에 충돌시켜 다양한 종류의 희귀동위원소를 생성하는 방법이다. RAON은 이 두 방식을 독립적으로 운영할 수 있을 뿐 아니라 동시에 결합하여 운전할 수 있는 특징을 갖고 있어, ISOL로 생산한 특정 동위원소 빔을 IF 방식으로 2차 반응시켜 기존보다 훨씬 극한 영역의 희귀동위원소를 생성할 수 있다. 일본의 RIKEN RIBF BigRIPS에서는 이미 이러한 두 단계 빔 생성 방식이 실험으로 검증된 바 있으며,8) 이를 활용한 빔 생성 반응 연구는 RAON에서의 극한 희귀동위원소 빔 생성과 체계적인 계통 연구에 중요한 기반 데이터를 제공할 수 있다. 이러한 연구를 통해 RAON의 ISOL 빔 개발과 전략 수립에 실질적인 도움을 줄 수 있으며, 생성 반응 단면적 데이터 확보, 빔생성 조건의 최적화 설계, 희귀동위원소 과학 국제 경쟁력 강화, 극한 희귀동위원소 생성 영역 확장 등 다방면의 효과가 기대된다.

Fig. 2. International Collaborative Research on the Two-Step Production Method for the Extreme Neutron-Rich Rare Isotopes.9)

본 연구 분야에서는 1단계에서 RAON ISOL의 희귀동위원소 생성을 통한 초기 실험 수행, 그림 2에 보인 바와 같이 일본 RNC RIBF를 활용한 Two-step 희귀동위원소 생성 연구 등을 추진하며9) 2단계에서 RAON ISOL 희귀동위원소 가속 빔의 저에너지 빔을 활용한 한-일 국제공동 연구, 일본 RNC RIBF를 활용한 Two-step 희귀동위원소 생성 연구 심화를 통한 RAON ISOL 계통 연구, 그리고 3단계에서는 RAON의 ISOL과 IF 연계를 통한 극한희귀동위원소 빔 생성 및 새로운 극한희귀동위원소 발견에 목표를 두고 있다.

Fig. 3. The SAMURAI Spectrometer Facility at RIBF of Japan.15)

RIKEN RIBF는 초전도 사이클로트론을 이용하여 핵자당 345 MeV까지 빔을 가속하고 두꺼운 표적에 충돌시켜 IF 방식으로 다양한 희귀동위원소 생성 및 분리를 통해, 하류에 설치된 다양한 실험장치와 대규모 검출기 어레이를 활용하여 IBS(IRIS와 CENS), RIKEN, CNS, KEK, SNU, KU 간에 다수의 공동 연구가 수행되어 왔다.10) 그리고 KEK의 동위원소 분리 시스템(KISS)과 CNS의 동위원소 빔 분리기(CRIB)를 기반으로 한 저에너지 RI 빔 연구에서도 CNS와 IBS 간의 적극적인 협력이 지속적으로 이루어지고 있다. 저에너지부터 고에너지 분야에 걸쳐 이어지는 연구 협력 관계는 IBS와 일본의 핵물리 연구기관들 간의 견고한 협력 기반을 잘 보여준다. 특히, 한국 그룹의 IBS CENS에서 RIKEN PAC(프로그램 자문위원회)에 제출하여 승인된 여러 실험 제안들은 양국 간 국제 공동연구를 한층 더 활발하게 할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 한국 연구자들이 개발한 검출기 등을 RIKEN RIBF 연구시설에서 활용하여 고에너지 빔 실험 등의 국제공동연구 기회를 갖고, 향후 RAON 시설에서도 RIKEN 검출기 및 연구자들과 국제공동연구 실험 수행을 활발히 할 것으로 기대한다. 특히, 그림 3, 4에서 보인 바와 같이 RIKEN SAMURAI 실험에서 중성자 검출 효율을 높여 다양한 핵 반응 연구 등,11)12)13) 다양한 실험 수행을 위해 LAMPS NDA(중성자 검출기)14)의 공동활용을 위한 국제공동연구를 현재 추진 중에 있다.

Fig. 4. RAON LAMPS Neutron Detector Array at IRIS of Korea.

ISOL 희귀동위원소 발생장치는 세계 최고 수준의 빔 강도를 목표로 개발되었으며, 2023년에는 SiC 표적을 이용하여 첫 번째 희귀동위원소 이온빔인 ^{20,21,22,24,25,26}Na를 생성하였다. 2024년 상반기에는 반감기가 짧은 ^24mNa(T_1/2 = 20 msec) 및 ²⁷Na(T_1/2 = 301 msec) 이온빔을 추가로 생성 및 분리하였다.16) 또한, 동일 SiC 표적에서 500 W의 양성자 빔 출력에서 알루미늄 동위원소들(^25,26m,28,29Al)도 생성, 판별하였다. SiC 표적 외에도 UC_x와 유사한 화학적 성질을 가진 LaC₂ 표적을 사용하여 Cs 및 Ba의 여러 동위원소 이온빔 생성에 성공함으로 향후의 UC_x 표적 사용에 대한 파일럿 테스트를 진행하였다. 2025년에는 레이저 이온원(Resonance Ionization Laser Ion Source, RILIS)을 이용하여 SiC 표적에서 생성된 Mg 동위원소 빔을 인출 및 판별하였으며, 플라즈마 이온원을 활용하여 Ar, Kr, Xe 등의 안정원소 이온빔 인출시험을 완료하였다. 2026년 말부터는 ThC 및 UC_x 표적을 이용하여 ¹³²Sn 등을 포함한 극한 영역의 희귀동위원소를 생성·공급할 예정이다.

2025년도에는 ISOL에서 생성된 희귀동위원소를 SCL3에서 가속하여 희귀동위원소 가속기로서의 역할을 수행함으로써 실험 주제를 확장하고 활용 범위를 넓힐 예정이다. 일본 KEK 실험 장치인 KISS(KEK Isotope Separation System)는 현재 RIBF의 저에너지 분기에 설치되어 운영 중이며, MNT(다중 핵자 전이) 반응으로 생성된 무거운 핵 영역의 저에너지 RI 빔을 이용한 실험이 활발히 진행되고 있다. 주요 연구 주제로는 정지된 RI 빔을 이용한 베타-감마 분광학, IBS와 공동으로 진행되는 MR-TOF 분광학 프로젝트 등이 포함된다.

핵물리 실험을 수행하기 위해서는 각 실험 목적(핵천체물리, 핵반응, 핵구조 등)에 부합하는 대형 실험 검출 장치를 설치할 수 있는 전용 공간과 빔라인 확보가 필수적이며, 이를 통해 실험 준비 효율성을 높여 빔 타임을 효과적으로 활용할 수 있다. 특히, 다양한 희귀동위원소를 이용한 실험 수행을 위해 감마선 분광 시스템, 붕괴 측정 스테이션(decay station), 냉각 가스셀 표적, 고순도 가스 제트 표적 등 장기간 안정적으로 운영할 수 있는 전용 실험 공간이 필요하다. 이러한 인프라는 기초과학 연구뿐만 아니라 ISOL 빔을 활용한 항공·우주용 반도체 특성 평가, 신품종 육종 개발 등 응용 분야로의 확장을 가능하게 한다.

희귀동위원소를 활용하여 원소의 기원을 밝히기 위한 양국 간 국제공동연구뿐만 아니라, 연구자 간 긴밀한 연구 협력 네트워크 구축을 위한 박사후연구원, 학생의 장단기 인력교류 프로그램, 해외 우수 연구자 초청, 탑티어 자문 초청 등도 이루어진다. 이는 연구자 간 협력 강화뿐만 아니라 젊은 인재 양성을 통해 희귀동위원소과학 분야의 국가 경쟁력을 강화한다. 연구 교류를 위한 특강, 세미나, 스쿨, 컨퍼런스 등도 공동 개최하여 핵물리 연구 역량 강화 및 국제공동연구의 기회도 넓힌다. Nishina School뿐만 아니라 이번 8월에는 한-일 양국이 공동 개최하는 TOPTIER-CNS Summer School 2025도 동경대 CNS에서 개최하였으며, 양국 연구자들이 장단기 체류하며 함께 연구할 수 있는 협력 플랫폼도 현재 기초과학연구원 내에 준비되어 있다.

본 탑티어 사업을 통해서 탑-티어 연구기관 간 전략적, 장기적 국제협력 연구를 추진하고, 우수 연구 성과 창출을 위한 탑-티어 국내외 연구기관 간 우수 연구인력 교류, 최근 연구 분야 이슈 및 개발 동향 등 주요 정보 교류, 양국 연구 인프라 구축 및 공동 활용 등을 통해 희귀동위원소 과학 분야의 발전을 기대한다.

맺음말

희귀동위원소를 생성하고 가속하는 중이온가속기와 관련 기술 개발, 그리고 해당 연구 분야의 전문 인력 양성은 우주에 존재하는 원소의 기원을 탐구하고 세계적 과학 현안을 해결하는 데 있어 국가가 선도적 위치로 도약하기 위한 핵심 전략에 해당한다. 현재 희귀동위원소과학 연구를 주도하고 있는 미국, 일본, 유럽의 중이온가속기들은 가속 에너지, 가속 이온빔의 특성, 가속 방식, 희귀동위원소 생성 및 분리 방식에서 서로 차별화된 기술을 보유하고 있으며, 각기 고유한 장점을 기반으로 국제 경쟁력을 확보하고 있다.

전 세계적으로 극한희귀동위원소 생성을 위해 미국, 일본, 유럽 등 주요 선진국에서는 연구자 양성을 기반으로 관련 연구시설 확충과 핵심 기술 개발에 집중 투자하고 있으며, 이를 통해 자국의 과학적 위상을 공고히 하기 위한 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 한국이 보유한 중이온가속기 RAON(기초과학연구원 중이온가속기연구소, Institute for Rare Isotope Science, IRIS) 구축 완료 이후 국내외 중이온가속기 활용 연구 그룹과의 협력 활성화, 학계 및 산업계와의 교류 확대, 공동연구 활성화를 통해 세계적 선도 연구소로 도약하기 위해 R&D 추진과 한국의 RAON과 일본 RIBF 중이온가속기 시설을 기반으로 국제공동연구, 정보교환, 연구자 교류, 및 연구 협력 플랫폼 구축의 국제협력을 적극적으로 추진하고자 한다.

이 논문은 2025년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단(No.RS-2024-00436392) 및 기초과학연구원의 지원을 받아 수행된 연구임(IBS-I001-01, IBS-R031-D1).