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초전도 선형가속기를 위한 극저온 냉동시스템

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가속기(Accelerator)는 전기장을 이용하여 전자, 중성 자, 양성자, 중이온을 빛의 속력에 가깝게 가속하는 장 치이다. 현대적인 가속기에 사용되는 가속장치들은 니 오븀(Ni, Niobium)과 같은 초전도체를 이용하여 초전 도 가속기(Superconducting Accelerator)로 구축되고 있다. 초전도 가속기는 높은 에너지를 짧은 구간에 집 중시킬 수 있기 때문에 상전도 가속기와 비교하여 시설 의 물리적인 크기와 설치 및 운용비용 측면에서 우수하 다. 그러나 초전도 현상의 구현을 위해 극저온 냉동시 스템이 추가적으로 필요하다. 가속기는 구조상 원형가 속기(Cyclotron) 혹은 선형가속기(Linac, Linear Accelerator)로 나눌 수 있으며, 한국형 중이온가속기

(Heavy Ion Accelerator)는 선형가속기로 설계 중이다.

중이온가속기는 중이온(탄소, 납, 우라늄과 같은 무 거운 이온)을 광속의 50% 이상으로 가속시키는 장치이 다. 가속된 중이온을 표적 원자핵에 충돌시키면(IF: In- Flight 방식) 희귀한 방사성 동위원소가 대량으로 만들 어지고, 이 입자들을 이용하여 원자보다 작은 펨토(10

-15

) 단위 세계를 탐구할 수 있으며 새로운 원소를 만들어내 거나 물질의 성질 연구에 활용된다. 우주와 별의 진화 과정 연구, 핵의 대칭 에너지 연구, 첨단 암치료 기술 개 발, 생명과학과 DNA 구조 연구 등 최고 수준의 첨단연 구의 시초가 된다. 한국형 중이온가속기(Raon, 라온)는 기초과학연구원(IBS: Institute for Basic Science) 산하

최 철 진 기초과학연구원 중이온가속기구축사업단 연구위원 ㅣ e-mail : cjchoi@ibs.re.kr

이 글에서는 초전도가속기의 개념과 그 운전을 위해 필수적인 설비인 극저온 헬륨 냉동시스템에 대해 소개하고자 한다.

초전도 선형가속기를 위한 극저온 냉동시스템

그림 1세계 최대의 원형가속기 터널 (출처: 유럽입자물리 연구소(Cern), 최근‘힉스’입자를 발견하여 세계 적으로 더욱 유명해진 가속기연구소)

그림 2독일전자가속기(DESY) 터널

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중이온가속기구축사업단(RISP: Rare Isotope Science Project)에 의해 초전 도 선형가속기(SCL: Super Conducting Linac)로 상세설계가 진행 중이며, 과 학벨트(세종 국제과학비즈니스벨트) 의 주요 거대실험시설로서 세계적 지 식창출의 거점으로 운용될 것이다. 한 국형 중이온가속기를 활용하면 선진 가속기연구소들도 아직 찾지 못한 원 자번호 117번 이상의 원소를 찾을 수 있고, 코리아늄(Koreanium) 등으로 명 명하여 국가의 명예를 높일 수 있다.

한국형 중이온가속기는 세계 최초로 희귀동위원소 생성방식 두 가지인 IF

와 ISOL(양성자를 가속하여 무거운 원자로 이루어진 표 적에 충돌시켜 희귀동위원소를 만드는 방식)을 결합하 여 더욱 희귀한 동위원소를 얻을 있으며, 성능 또한 빔 에너지 200 MeV/u, 빔출력 400 kW급으로 현재 운용 또는 건설 중인 중이온가속기 중 최고 수준이다.

극저온은 통상적으로 120 K에서 μK 온도 범위를 의 미하며, 응용범위는 초전도 선형가속기와 같은 대형 시 스템으로부터 실험실 레벨의 소형 시스템들까지 매우 광범위하다. 천문학, 우주항공, 고체물리, 의약품 등에

중요한 역할을 하며, 최근에는 초전도 전력선, 풍력발전, 군용 장비 등 그 응 용 범위가 지속적으로 확대되고 있다.

극저온공학(Cryogenics)은 열역학, 열 전달, 유체역학, 기계설계, 재료과학, 계측공학, 양자역학 원리들이 복합적 으로 연계되어 있는 학문이다. 따라서 기계공학도가 도전하기에 적합한 분야 이나, 국내에는 극저온공학 연구실이 있는 대학이 아직 몇 군데에 불과하다.

극 저 온 냉 동 시 스 템 (Cryogenic Refrigeration System)으로는 스털링 (Stirling), GM(Gifford McMahon), 맥 동관(pulse tube), JT(Joule Thomson) 등의 극저온 냉동기(Cryocooler)가 있으며 이들은 주로 작은 시스템에 활용된다. 자기공명영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging) 장치는 소형 극저온 냉동시스템을 이용하는 가장 널리 알려진 응용 장치이다. 20 K에서 수 μK 온도를 만들어내기 위한 극저온 냉동시스템의 작동유체는 헬륨(Helium)이다. 초전도 가속기와 국가 핵융합연구소(NFRI)에서 운용 중인 핵융합반응로 (Nuclear Fusion Reactor)와 같이 큰 시스템에는 콜린스 (Collins) 사이클이 주로 사용된다. 콜린스 사이클은 가

그림 3중이온가속기 조감도(지역: 세종 과학벨트 신동지구) 그림 4한국형 중이온가속기 시스템 개략도

중이온가속기는 우리나라 차세대 기초과학 연구의 핵 심 인프라로 세종 국제과학 비즈니스벨트(과학벨트)에 2017년 설치를 목표로 하 고 있으며, 현재 기초과학 연구원(IBS) 중이온가속기 구축사업단(RISP)에서 상 세설계가 진행 중이다.

한국형 중이온가속기의 이

름은 ‘라온’이며, ‘즐거

운’ , ‘기쁜’ 이라는 의미의

순 우리말이다.>

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초전도 선형가속기를 위한 극저온 냉동시스템

장 현대적인 형태의 대형 헬륨 냉동사이클로서, 1단의 터보팽창기(Turbo-Expander)를 사용하는 클라우데 (Claude) 사이클의 발전적인 형태이며, 다단의 터보팽

창기를 사용하여 효율을 높인 사이클이다. 콜린스 사이 클을 이용한 상용의 대형 헬륨냉동시스템(Helium Refrigeration System)의 효율은 카르노(Carnot) 사이클

그림 6독일 전자가속기(DESY)의 HERA 냉동플랜트(출처:

Linde-KT 사)

그림 5콜린스 사이클을 이용한 1kW급 중형 헬륨냉동시스템 (출처: 핵융합연구소)

그림 8초전도 캐비티와 2K 냉각을 위한 헬륨자켓 그림 7초전도 선형가속기용 극저온 냉동시스템 개략도

그림 9콜드박스, Air Liquide-AT사 제작(출처: 핵융합연구소)

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의 25~30 % 수준으로 다른 모든 극저온 사이클과 비교 할 때 가장 높은 효율을 나타낸다.

초전도 선형가속기에 필요한 극저온 냉동시스템을 구성하는 주요 장치는헬륨냉동시스템(HRS: Helium Refrigeration System), 분배 시스템(Distribution System) 그리고 극저온 유지모듈(Cryomodule)이다. 헬

륨냉동시스템은 상온에서 기체 상태인 헬륨을 극저온 상태(4.5 K, 2 K)로 냉각하고, 분배 시스템은 냉각된 헬 륨을 극저온 유지모듈과 연결하여 폐회로(Closed-loop) 를 구성한다. 또한 분배 시스템은 진공, 액체질소, MLI(Multi-Layer Insulation) 등으로 단열된 분배 라인을 이용하여 냉각된 헬륨을 극저온 유지모듈로 공급하고, 냉각에 사용된 헬륨을 다시 회수하는 역할을 한다. 극 저온 유지모듈은 열공학적인 관점에서 볼 때 가속장치 들의 냉각을 유지하는 데 필요한 극저온 단열 시스템이 며, 가속장치인 초전도 캐비티(Superconducting Cavity)와 초전도 자석(Superconducting Magnet)에서 발생하는 동적열부하(Dynamic Heat Load)와 주변 공 기와의 온도차(300K와 4.5 K/2 K의 차이)에 의해 발생 하는 정적열부하(Static Heat Load)를 차폐함으로써 냉 각을 유지하는 장치이다.

헬륨냉동시스템(HRS)은 콜드박스(Cold Box), 압축 기단(Compressor Station), 기체헬륨(GHe: Gas Helium) 회수장치 그리고 액체헬륨(LHe) 및 액체질소 (LN2) 저장소 등으로 구성된다. 콜드박스는 열교환기 와 터보팽창기로 구성되어 있으며, 헬륨의 냉각이 직접 적으로 이루어지는 장치이다. 압축기단에서는 저압 (LP)과 고압(HP)의 압축기를 사용하여 기체헬륨을 2단 계로 압축한다. 헬륨냉동시스템은 헬륨을 용도에 따라

그림 11헬륨저장용 버퍼탱크와 액체질소(LN2) 저장탱크(출 처: 핵융합연구소)

그림 10압축기단, 좌: 고압(HP), 우: 저압(LP)(출처: 핵융합연구소)

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초전도 선형가속기를 위한 극저온 냉동시스템

몇 가지 온도로 나누어 공급한다. 초전도 캐비티의 냉 각을 위해서는 4.5 K로 공급된 헬륨을 J-T 열교환장치 (Joule-Thomson Heat Exchanger Module)를 추가적으 로 이용하여 2 K(Superfluid Helium, Helium II 상태)로 만든 후 극저온 유지모듈로 공급한다. 복사열전달 차폐 (Shield)를 위해서는 4.5 K의 액체헬륨(LHe: Liquid Helium) 또는 4.5~5 K의 초임계헬륨(SHe, Supercritical

Helium), 그리고 40~80 K의 기체헬륨을 공급한다.

초전도 가속기와 같은 대형장치에 활용되는 대형 극 저온 냉동시스템은 국내에 그 전문가가 거의 없고, 기 술적으로도 흥미 있는 주제들이 산재해 있다. 따라서 정통 기계공학을 전공한 공학자들이 도전할만한 또 하 나의 분야임을 밝히며 이 글을 맺고자 한다.

기계용어해설

라이프 사이언스(Life Science)

생물학, 생화학, 동물행동학, 고고학, 인류학, 언어학, 사 회학 등의 여러 학문을 종합해서 생명을 해명하고 생명의 유지, 보호를 도모하는 기술분야.

십자걸이 벨트(Crossed Belt: 교차 벨트)

벨트가 교차되는 2개의 바퀴가 서로 반대 방향으로 회전 할 경우에 쓰이는 벨트 걸이방법.

크로스형 가스터빈(Cross-compound Gas Turbine) 고압 압축기를 저압 터빈에서, 저압 압축기를 고압 터빈 에서 구동시켜 가스 터빈의 성능을 높이는 형식의 일종.

한계<리밋> 게이지(Limit Gauge)

2개의 게이지를 조합하여 한쪽을 허용 최대 치수로, 다른 쪽을 허용 최소 치수로 하고, 이 한도내에서 제품의 치수 를 검사하는 게이지.

크로스형 증기터빈(Cross-compound Steam Turbine) 대형 터빈에서 몇 개로 분할한 터빈 차실을 축이 평행이 되도록 가로로 배치한 터빈.

비례한도(比例限度: Limit of Proportionality

물체에 하중을 가하면 변형하여 응력과 변형을 일으키고, 이 양자는 응력이 일정 값에 달하기까지 정비례하며, 그 관계가 유지되는 최대 한도.

일관<유동>작업(一貫<流動>作業: Assembly Line) 컨베이어, 에스컬레이터, 나사 슈트 등 자동 반송장치를 이용, 순서대로 제품을 완성시키는 대량생산을 위한 작업 방식.

가교접속(架橋接續: Cross-linking)

합성 고분자의 용제나 전자파, 열 등에 대한 안정성을 얻 는 데 효과가 있는 화학 변화.

크로스헤드(Crosshead)

원동기에서 피스톤 봉과 연접봉을 연결시켜, 피스톤 및 피스톤봉의 직선운동을 안내하고 연접봉으로부터의 스러 스트를 지지하는 부품.

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수치

그림 6 독일 전자가속기(DESY)의 HERA  냉동플랜트(출처: Linde-KT 사)그림 5 콜린스 사이클을 이용한 1kW급 중형 헬륨냉동시스템(출처: 핵융합연구소) 그림 8 초전도 캐비티와 2K 냉각을 위한 헬륨자켓그림 7 초전도 선형가속기용 극저온 냉동시스템 개략도 그림 9 콜드박스, Air Liquide-AT사 제작(출처: 핵융합연구소) 3저널(4월호)-2253.ok  2013.4.2 6:29 PM  페이지46   DK

참조

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