가속기로 핵폐기물 처리와 핵융합 소재 연구가 가능해질 전망이다. 차세대 가속기로 불리는 `고강도 가속기` 연구개발의 토대가 될 새로운 `빔(beam) 물리 이론`이 등장했다.
정모세 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수팀은 고강도 가속기 설계와 해석에 적용할 수 있는 새로운 빔 물리 이론을 완성했다. 정 교수팀의 이번 연구는 미국 프린스턴 플라즈마 물리연구소(PPPL), 독일 중이온 가속기 연구소(GSI)와 공동으로 진행됐다.
가속기는 전자, 양성자, 이온 등 전하를 가진 입자를 가속해 높은 에너지를 만들어내는 장치다. 가속 입자들이 이루는 빔을 물질에 부딪쳐 나타나는 현상을 분석하면 핵 구조나 자연계의 물리법칙 등을 밝힐 수 있다.
고강도 가속기는 기존 가속기보다 출력이나 전류 세기를 높인 가속기를 말한다. 이 가속기에서 나오는 강력한 빔을 이용하면 핵폐기물의 반감기를 줄이거나, 핵융합로에 쓰이는 강한 재료를 만들 수 있다.
가속기는 같은 전하를 띠는 입자를 모아 한꺼번에 가속해 필요한 에너지를 얻는다. 이 때 빔 전류를 높이면 입자의 반발력이 커져 전체 빔의 궤적에 영향을 미친다. 이를 `공간 전하 효과`라 부르는데, 1959년 러시아 물리학자 2명이 이를 고려한 물리 이론을 제시한 바 있다.
하지만 이 이론은 입자가 수평이나 수직 방향으로 결합해 움직이는 현상을 빠트렸다. 이 때문에 새로운 형태의 고강도 가속기를 설계하고 개발하기 어려웠다.
정 교수팀은 수평과 수직 방향으로 운동하는 입자의 결합과 이동까지 고려한 새로운 빔 물리 이론을 완성했다. 정 교수는 “50년간 사용해 온 이론을 획기적으로 개선한 새로운 이론이다. 핵융합 재료 연구, 핵폐기물 처리, 우주 기원 탐구 등에 활용하는 차세대 고강도 가속기 개발은 물론 기존 가속기 성능 극대화에 크게 기여할 수 있다”고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 이공학 개인기초연구 지원 사업과 선도연구센터(SRC) 지원 사업의 일환으로 수행됐다. 연구 결과는 `피지컬 리뷰 레터` 11월 25일자에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
