이온원-표적 일체형 중성자 발생장치 및 이를 이용한동위원소 생산 시스템

이온원-표적 일체형 중성자 발생장치 및 이를 이용한 동위원소 생산 시스템{A neutron generator and a radio-isotope production system using the same}

도 1은 종래 기술에 따른 중성자 튜브의 구조를 보여주고 있는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 중성자 발생장치의 구조를 보여주고 있는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동위원소 생성 표적의 구조를 보여주고 있는 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동위원소 생성 표적의 구조를 보여주고 있는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 석영관 2, 2' : 밀봉체

3 : 중성자 발생표적 4 : 플라즈마 전극

5, 5' : 전자석 6 : 고주파 안테나

7 : 가스주입구 8 : 플라즈마 발생부

11 : 접지전극 12 : 이온원전극

13 : 이온 발생부 14 : 중성자 발생표적

15 : 외부표적 16 : 내부표적

본 발명은 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치 및 이를 이용한 동위원소 생산 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극으로 작동되는 중성자 발생표적과 이를 둘러싸고 있는 이온원으로 구성되어 고전류의 플라즈마를 발생시켜 높은 중성자 생성율을 달성할 수 있는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와 이를 이용한 동위원소 생산 시스템에 관한 것이다.

이제까지의 중성자의 생산과 이용은 주로 원자로로부터 생산되어 나오는 중성자의 응용에 집중되어왔다. 그러나, 최근에 들어서는 늘어나는 산업용 또는 의료용의 수요를 충족시키기 위해 중성자의 다양한 생산 방법이 도입되어 연구 개발이 진행되고 있다. 표 1에서는 현재 사용되고 있는 각 중성자원에 따른 중성자 수율과 그, 장단점을 나열하였다.

중성자의 이용에 있어서 핵심적인 특성은 중성자속인데, 현재 가장 높은 중성자속을 연속적으로 제공하는 것은 연구용 원자로로서 국내에서도 한국원자력연구소에 건립된 연구용 원자로인 "하나로"를 이용한 중성자의 이용이 활발히 진행되고 있다. 그러나 연구용 원자로의 경우 높은 중성자속을 가지고 있으나, 설치장소의 제약 등으로 그 활용이 제한적일 수밖에 없다. 반면에, Cf-252 등의 동위원소를 이용한 중성자 이용은 휴대 및 운반, 이동이 가능하나 중성자속이 낮으며, 발생되는 중성자의 제어가 불가능하고 단가가 높아 경제성이 문제가 된다.

따라서, 중성자의 다양한 활용을 위해서는 이동이 가능한 중성자 발생장치나 가속기를 이용한 중성자 발생장치가 필수적이다. 이에 따라, 최근 원자로 이외의 중성자 발생 장치에 대한 연구가 세계 각국에서 활발하게 진행되고 있으며, 대형 가속기에 기반을 둔 핵파쇄 중성자원(spallation neutron source)과 소규모의 이동 형 중성자 발생 장치인 중성자 튜브(neutron tube)가 그 대표적인 분야이다.

핵파쇄 중성자원은, 주로 높은 중성자속(neutron flux)이 필요한 신재료 시험 등에 이용하고자 하는 목적으로, 몇몇 국가에서 국가적인 가속기 개발사업으로 진행되고 있는데, 미국의 NSNS(National Spallation Neutron Source), 유럽의 ESS(European Spallation Source) 등이 현재 추진중인 대표적 연구개발사업이다. 또한 붕소중성자포획요법(Boron Neutron Capture Theraphy: BNCT) 등의 의료용 중성자 발생을 위해 중형의 양성자 가속기의 개발도 진행되고 있다.

특히, 현재 산업 분야 및 의학 분야 등 다양한 영역에서 활용되고 있는 방사성동위원소는 주로 연구용 원자로와 일부 가속기를 이용하여 생산하고 있다. 원자로를 이용하는 경우, 다양한 동위원소를 생산할 수 있다는 장점이 있기는 하나, 원자로의 특성상 낮은 비방사능(specific activity) 및 부반응으로 인한 추가적 불순물의 생성 등의 단점이 있으며, 또한 조사용기가 원자로 내에 설치되어야 하는 관계로 안전성, 견고성을 확보하기 위한 제작과 시험에 따르는 기술, 인력, 비용의 부담이 크고, 원자로에서의 조사로 용기 자체의 피폭에 따르는 고방사능 및 장기간의 냉각 기간이 필요한 단점들도 필연적이다. 가속기를 이용할 경우에는, 낮은 빔전류, 빔 수송 문제, 표적의 건전성 및 냉각 필요성 등으로 인해서 대용량의 생산을 이루기가 어렵고, 원자로의 경우와 마찬가지로, 그 설치장소에 여러가지 제한을 받게 된다.

한편, 소형의 이동형 중성자 튜브는 이미 상용화가 진행되어 여러 가지 제품이 나오고 있으나, 낮은 중성자속, 짧은 사용수명 등의 문제를 가지고 있고, 이를 해결하기 위한 연구가 다각도로 진행되고 있다. 중성자 튜브와 같은 소형 중성자 발생기에 있어서는, 규모가 작고 안정적으로 가동할 수 있는 이온원 기술이 그 핵심을 이루는 기술로서, 보다 높은 중성자속을 얻기 위한 연구와 함께 소형화 및 수명연장의 필요성 때문에 고주파 이온원을 이용한 중성자 발생장치 연구가 주목을 받고있다. 국내에서는 1960-70년대에 한국원자력연구소를 중심으로 중성자 발생장치의 개발연구가 진행된 적이 있으나, 그 이후 산업적인 이용도가 높은 이온주입기 연구로 전환되고 나서 이 분야의 연구가 거의 전무한 실정이다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 전극으로 작동되는 중성자 발생표적과 이를 둘러싸고 있는 이온원으로 구성되어 고전류의 플라즈마를 발생시켜 높은 중성자 생성율을 달성할 수 있는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와, 이를 이용한 동위원소 생산 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은,

양 끝단이 밀봉된 원통형의 석영관(1)과; 상기 석영관(1)의 양 끝단을 밀봉하고 있는 밀봉체(2, 2')와; 상기 석영관(1) 내부 중앙에 관의 길이 방향을 따라 배치되는 중성자 발생표적(3)과; 상기 석영관(1) 내부면과 상기 중성자 발생표적(3) 사이에 관의 길이 방향을 따라 배치되고, 한쪽 단부가 접지되어 있는 플라즈마 전극(4)과; 상기 석영관(1)의 양 끝단부 측에 설치된 한 쌍의 전자석(5, 5')과; 상 기 한 쌍의 전자석(5, 5') 사이에 설치되며, 상기 석영관(1)의 외부를 둘러싸고 형성된 고주파 안테나(RF antenna; 6);를 포함하여 구성되되, 상기 밀봉체(2, 2') 중, 일측의 밀봉체(2)에 상기 석영관(1)의 내부로 가스를 주입할 수 있는 가스 주입구(7)가 설치된 것을 특징으로 하는 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치와; 길이 방향으로 반으로 나누어진 원통형의 형상을 갖고, 상기 중성자 발생장치를 둘러싸고 있는 동위원소 생성표적;을 포함하여 구성되는 동위원소 생산 시스템을 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 현재 상용되고 있는 프랑스 Sodern사의 밀봉 중성자 튜브(Sealed Neutron Tube)의 구조를 나타낸 도면으로 종래의 중성자 튜브 구조의 한 예를 보여주고 있다.

도 1에서 도면부호 11은 접지전극, 12는 이온원전극, 13은 이온 발생부, 14는 중성자 발생표적을 각각 나타낸다. 도면에서도 볼 수 있듯이, 종래의 중성자 튜브는 튜브 일측에 형성되는 이온 발생부에서 발생하는 중수소 이온빔을 가속시켜 튜브 반대편 끝부분에 위치한 중성자 발생표적에 입사시킴으로써 중성자를 발생시키는 방식이다. 이러한 구조의 중성자 튜브는 석유 탐사 등의 기존 산업분야에의 활용도는 괜찮은 편이나, 중성자 발생 표적의 크기가 작으므로 동위원소 생산과 같은 높은 중성자속을 필요로 하는 이용분야에는 적용에 한계가 있고, 또한 튜브 내부에 충전된 가스의 양이 한정되어 있으므로 수명이 1,000 ~ 10,000 시간 등으로 제한된다는 단점이 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중성자 발생장치의 구조를 보여주고 있는 도면이다. 도면을 살펴보면, 본 발명에 따른 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치는 직경 10cm 정도의, 양 끝단이 밀봉된 원통형의 석영관(1) 주위에 고주파 안테나(RF antenna; 6)를 설치하고, 석영관 일측의 밀봉체(2)에 형성된 가스 주입구(7)를 통하여 석영관 내부에 중수소를 공급하여 중수소 플라즈마를 발생시키며, 석영관의 양쪽 끝에는 전자석을 설치하여 미러(mirror)형 자장 구조 속에 플라즈마를 가둔다. 이러한 구조 하에서, 석영관의 내부 표면 근처에서 플라즈마(8)가 생성되는데, 이 때 원통 내부 중심에 관의 길이 방향을 따라 배치된 중성자 발생표적(삼중수소(T) 포함물질; 3)에 약 100kV 정도의 고전압을 인가하게 되면, 접지로 연결된 플라즈마 전극(그리드; 4)과 표적 사이에 가속 전장이 형성되어 그리드의 틈 사이로 중수소이온(D ⁺ ) 빔이 인출 및 가속되어 표적으로 입사되고, 표적에서 DT 핵융합이 일어나 14 MeV의 에너지를 갖는 중성자가 발생하게 된다. 도면의 화살표는 전장의 방향을 나타낸다.

상기와 같은 구성의 중성자 발생장치를 이용할 경우, 석영관 전체에서 중수소 이온빔을 발생시킬 수 있고, 표적까지의 가속거리도 짧아 이온빔의 수송효율이 뛰어나다. 또한, 미러형 자장은 축방향으로 발생하는 하전 입자들의 손실을 줄일 뿐만 아니라 가속된 D ⁺ 이온이 표적에 충돌할 때 발생하는 이차 전자의 그리드 방향으로의 진행을 막아 이차 전자에 의해 고전압 전원에 과도하게 걸리게 될 전류 부하를 감소시키는 역할도 하게 된다.

게다가, 석영관 일측의 밀봉체(2)에 형성된 가스 주입구(7)를 통하여 필요할 때마다 석영관 내부에 중수소를 공급할 수 있으므로, 장치의 수명 제한 없이 반 영구적으로 사용할 수 있으며, 석영관 타측의 밀봉체(2')에는 진공펌프가 연결된다.

본 실시예의 중성자 발생장치는 직경이 10cm, 높이가 21cm로 제작되었고, 100kV의 가속전압을 인가하는 경우, 빔전류는 약 30 mA가 되며, 이 때 장치의 최종 중성자 발생률은 약 10 ¹¹ ns/s이다.

본 발명에 따른 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치를 이용한 동위원소 생산 시스템은 앞에서 설명한 중성자 발생장치와; 그 외측에 구비되며, 길이 방향으로 반으로 나누어진 원통형의 형상을 갖고, 상기 중성자 발생장치를 둘러싸도록 구성된 동위원소 생성 표적;을 포함하여 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

이와 같은 구조로 시스템이 구성됨으로써, 본 발명에 따른 동위원소 생산 시스템은, 중성자 표적에서 발생되는 중성자의 대부분이 동위원소 생성 표적에 입사되게 함으로써, 동위원소의 생산 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 중성자 발생장치에 있어, 이온원과 중성자 발생표적이 일체형으로 제작되기 때문에 발생장치를 길 이 방향으로 확장시켜 제작하고, 이에 맞추어 그 외부에 길이 방향으로 확장된 동위원소 생성 표적을 위치시킴으로써 간단하게 동위원소의 생산량을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 동위원소 생산 시스템은 14MeV의 높은 에너지를 갖는 DT-중성자를 이용하여 표적에서 (n,p) 핵반응을 발생시켜 동위원소를 생산함으로써, 종래의 원자로를 이용한 동위원소 생산방법에 비해 높은 비방사능을 갖고, 추가 불순물도 적은 동위원소 생산방법을 제공한다. 표 2는 (n,p) 핵반응을 이용하여 생산할 수 있는 동위원소들과 중성자 에너지에 따른 각 표적물질의 반응단면적(cross-section)을 나타낸 것이다.

표 2에서, 국내소비량은 국내에서 생산되는 양과 외국으로부터 수입되는 양을 합산한 것으로서 방사선이용통계자료(RI협회, 2004)에 따른 것이고, 핵분열중성자 반응단면적은 원자로에서 방출되는 핵분열 중성자의 에너지 스펙트럼에 대한 반응단면적의 평균값을 표시한 것이다.

표 2에 나타난 바와 같이, 14MeV의 에너지를 갖는 DT-중성자를 이용하는 경우 핵분열중성자를 이용하는 경우에 비해 상대적으로 높은 반응단면적을 갖는 것을 볼 수 있으며, 특히 철(Fe-59), 구리(Cu-67), 스트론튬(Sr-89) 및 이트륨(Y-90)등의 생산에 있어서는 현저하게 높은 반응단면적을 보여주고 있다.

본 발명에서는, 중성자 발생장치 외부의 부대장비 위치를 고려하여, 동위원소 생성 표적을 내경 20cm, 두께 5cm의 원통형으로 제작하고, 발생장치에 장착하기 위해서 길이방향으로 반으로 나누어 제작하였다. 도 3은 동위원소 생성 표적의 구조를 보여주고 있는 개략도이다. 앞에서 설명한 바와 같이, 중성자 발생장치의 길이를 증가시키면 그에 따라 동위원소 생성 표적의 크기 역시 증가시킬 수 있고, 또한 중성자 발생표적으로부터 약 30 cm 이내에서는 그 두께의 조절도 가능하다.

본원 발명에 따른 동위원소 생산 시스템에서 이용하고 있는 동위원소 생성 반응인 (n,p) 핵반응은 동위원소 생성 표적에서 중성자(n)를 흡수하여, 양성자(p) 를 방출하고, 목적 동위원소를 생산하는 핵반응이다. 예를 들어서 ⁸⁹ Sr를 생산하기 위해서는 아래의 핵반응을 이용한다.

⁸⁹ Y + n → p + ⁸⁹ Sr

이렇게 생성된 동위원소의 포화방사능은 다음의 식을 이용하여 구할 수 있다.

A = σ

₁₄

φ

_n

N

₀

여기서, A [Bq]는 생성 동위원소의 포화방사능(saturation activity), σ ₁₄ [cm ² ]는 14 MeV의 에너지를 갖는 DT-중성자에 대한 표적 물질의 (n,p)핵반응 단면적, φ _n [ns/cm ² ·s]은 동위원소 생성 표적 위치에서의 중성자속(neutron flux), N ₀ 는 표적핵의 개수이다.

본 발명의 실시예에 따른 동위원소 생산 시스템에서는 표적 위치에서 반경 방향을 따라 약 10 ⁷ ～10 ⁹ ns/cm ² ·s의 중성자속을 얻을 수 있다. 이를 바탕으로 이 온원-표적 일체형 중성자 발생장치에서 발생된 중성자속을 표적 위치에서 계산하고, 표 2에 기재된 표적별 반응단면적과 전체 표적의 질량으로부터 계산된 표적핵의 개수를 이용하면 생산되는 동위원소의 포화방사능을 구할 수 있다. 예를 들어, 표적으로 ⁸⁹ Y를 사용하고, 두께를 5cm로 설정할 경우, 약 8주간의 조사(irradiation)를 통하여 30 MBq 정도의 ⁸⁹ Sr를 생산할 수 있다.

이제까지의 실시예에서는 중성자 발생장치의 외측에 구비되며, 중성자 발생장치를 둘러싸도록 구성된 동위원소 생성 표적을 이용한 동위원소 생산 시스템에 관하여 설명하였으나, 본 발명은 그것에만 한정되는 것은 아니며, 도 4에 도시된 바와 같이 외부표적(15)과 내부표적(16)으로 구분되는 이중의 동위원소 생성 표적(15, 16)을 사용하여 시스템을 구성할 수도 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같은 중성자 발생장치를 구성함에 있어서, 중성자 발생표적(3)을 내부에 공동이 있는 원통형(Hollow-cylinder type)으로 구성하고, 그 내부에 봉(rod) 형태의 동위원소 생성용 내부표적(16)을 구비하여, 중성자 발생장치의 외측에 구비되어 중성자 발생장치를 둘러싸도록 구성되는 동위원소 생성용 외부표적(15)과 더불어 이중의 동위원소 생성 표적을 구비하는 동위원소 생산 시스템을 구성할 수도 있다. 이 경우, 내부표적의 위치에서는 그에 도달되는 중성자속이 상대적으로 커져 동위원소의 생성률을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명의 구성 및 실시예에 관하여 설명하였으나, 이는 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 보여주는 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 보호범위는 후술되는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 한정된다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 변경함이 없이 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 당연하므로 이러한 변형이나 개량은 그 범위가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 사항의 범위에 있는 한, 본 발명의 보호범위에 속한다 할 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 전극으로 작동되는 중성자 발생표적과 이를 둘러싸고 있는 이온원을 일체형으로 구성한 이온원-표적 일체형 중성자 발생장치를 제공함으로써 저(低)비용의 소형화된 중성자 발생장치를 제공함과 동시에, 가스 주입구를 통하여 석영관 내부로 가스를 주입할 수 있도록 구성함으로써 수명의 제한이 없이 반 영구적으로 사용이 가능한 중성자 발생장치를 제공한다. 또한, 상기 중성자 발생장치를 이용한 동위원소 생산 시스템에서는, 발생장치의 축방향 길이 연장을 통한 중성자 수율의 증가와 이에 따른 동위원소 생성 표적의 크기 확대를 가능하게 함으로써 동위원소의 생상량을 증가시키는 한편, 비방사능이 높은 동위원소의 생산을 가능하게 하는 동시에 동위원소의 생산에 부수적으로 수반되는 방사성 폐기물을 감소시켜주는 효과가 있다.