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종합뉴스

[기고] 핵물질 탐지에서 분석까지, 연구개발 강화하는 KINAC

신규 핵비확산·핵안보 연구개발 추진 현황

 

한국원자력통제기술원(이하 KINAC)은 평화적인 목적으로 이용 중인 핵물질 등이 핵무기 또는 기타 핵폭발장치 등의 군사적 목적으로 전용되는 것을 막기 위해 계량, 격납·감시 및 사찰 등의 안전조치(Safeguards) 업무를 수행하고 있다. 최근 안전조치 대상 시설과 핵활동의 다양화, 전 세계적인 핵안보 위협 증가 등으로 인해 핵활동 및 신고정보에 대한 검증 기술 개발이 중요해지고 있다.

 

검증을 위한 절차는 환경을 탐지, 시료 채취, 현장 검증, 정밀분석으로 구분해 볼 수 있다. 즉 원자력시설에서 발생하는 핵물질은 일부 시료를 채취하거나 소량인 경우 그대로 연구실로 옮겨 분석을 할 수도 있고, 이동이 불가능해 현장에서 검증해야 하는 경우도 있다.

 

 

현장에서 시료를 채취할 경우 시료로서 유의미한지 확인한 후에 정밀분석을 시행해야 하는 경우도 있고, 사람의 접근이 제한될 정도의 고방사선 환경에서 시료를 채취해야 하는 경우도 있다.

 

KINAC은 각각의 상황에서 적절하게 대응할 수 있도록 다양한 연구개발을 수행하고 있어 자세한 내용을 들여다 보고자 한다.

 

고방사선 환경에서 핵물질 채취 방안 연구

 

테러나 미신고 핵물질이 발견될 경우, 방사능이 높은 핵물질이 산재해 있을 가능성이 높기 때문에 사람이 직접 현장에 투입되어 상황을 파악하고 시료를 채취하는 것은 방사선에 과도히 노출될 위험이 있다.

 

따라서 KINAC은 이 같은 상황에서 피폭 위험은 낮으면서도, 빠르고 정확하게 핵물질의 위치 및 방사선 정보를 탐지할 수 있는 기술을 연구하고 있다. 특히 현장에서 대표성이 확보된 시료를 채취하고 운반해 분석하기 위한 절차를 개발하고 있다.

 

 

시료를 채취하기 위해서는 핵물질이 존재하는 위치를 파악하는 것이 우선 과제이며, 피폭 위협을 최소화하면서 시료를 채취하는 방법으로 드론 등 무인장비를 활용하고자 한다. 그러나 기존의 기술은 비행고도 및 이동 속도 등으로 일부 정보만 전달되어 위치 정보가 불확실한 경우가 대부분이다.

 

이에 KINAC은 4차 산업의 혁신기술을 접목하여 보다 정확한 방사선 정보를 송·수신하고, 위치를 판독하는 기술을 개발할 예정이다.

 

이렇게 탐지한 위치에서 법적 증거물로 활용될 수 있을 정도로 관리가 잘되고 대표성을 띠는 시료를 채취해야 한다. 이에 시료 채취 방법, 수량, 무게 등 시료 형태에 따라 정형화된 절차를 수립할 예정이다.

 

 

본 연구는 테러, 방사성 물질 불법 거래 탐지 등 다양한 안보분야뿐만 아니라, 원자력시설의 제염, 해체 등 사람이 접근하기 어려운 분야에서의 활용도 가능할 것으로 기대된다.

 

유의미한 시료 채취 수단의 개발

 

미신고 핵활동이 있었는지 판별하기 위해서는 현장의 시료를 채취해야 하는데, 시료에 포함된 핵물질은 나노그램(ng) 단위의 극미량일 가능성이 높다. 현장에서 시료를 채취해 정밀분석 단계로 넘어갔는데 그중 핵물질이 포함되어 있지 않은 경우도 상당수다.

 

원자력시설 사찰의 민감성을 고려했을 때 동일한 시설을 여러 차례 방문하는 것은 사실상 어렵다. 따라서 가급적 현장에서 핵물질을 포함한 유의미한 시료를 채취하고, 빠른 시간 안에 비파괴검사를 실시해 핵물질 존재 여부를 파악할 필요가 있다. 이를 위해서는 현장에 투입하는 장비가 중요하다.

 

안전조치 현장에서는 비파괴검사를 기본으로 하며, 핵물질 비파괴검사는 핵물질에서 나오는 방사선을 이용한다. 핵물질의 붕괴 과정에서 물질의 종류에 따라 감마선, 엑스선, 알파선 등 다양한 종류의 방사선이 나오는데 이를 검출해 핵물질을 분류하는 것이다.

 

핵물질마다 서로 다르게 방사선의 에너지를 방출하므로 이 에너지 피크(peak)값을 분석해 물질의 종류와 양을 확인할 수 있다.

 

문제는 물질마다 다른 에너지 특성을 정교하게 분석하기가 쉽지 않다는 점이다. 실험실에서 사용하는 장비를 이용하면 어렵지 않게 핵물질의 종류를 판별해낼 수 있지만 이런 장비는 너무 크고 복잡해서 현장에서 사용할 수 없다.

 

휴대성을 높이고자 장비의 크기를 줄이면 센서의 해상도가 떨어져서 정확도와 범용성이 실제 현장에서 사용하기 곤란할 만큼 낮다. 현장에서 활용 가능한 시판 장비들이 있기는 하지만 대상 물질별로 다른 장비를 사용해야 하는 데다 모두 외국제품이라 유지보수 비용이 비싸다.

 

이에 KINAC은 휴대성을 갖춘 장비 개발을 위해 기존 장비(MMXRF)의 소형화 프로젝트를 진행하고 있다. 환경시료 스크리닝 장비(MMXRF)는 KINAC이 2011년에 개발한 장비로, IAEA의 유사 장비보다 우수함이 입증되어 IAEA와 유럽연합 공동연구소에서 도입을 추진하고 있다.

 

최근 X선 집속 기술의 성장으로 소형화가 가능해 졌으며, 현장에서 환경시료 채취 시 유의미한 시료채취가 가능할 것으로 기대된다.

 

 

이와 더불어 KINAC은 MMXRF 외에도 다양한 방식의 핵물질 검출 장비를 개발 중이다. 레이저를 이용해 핵물질을 탐지하거나 먼 거리에서 형태적 특성을 분석하는 기술, 핵자기공명분광법과 같은 기존의 상용 기술을 핵물질 탐지에 활용하는 방안 등이 연구되고 있다.

 

사용후핵연료 저장 현장에서의 핵물질 검증기술 강화

 

사용후핵연료는 재처리를 통해 핵무기로 전용될 수 있기 때문에 중요한 사찰 대상이다. 국내 상용원전에서 발생한 사용후핵연료는 습식저장시설에 일정기간 보관해 열과 방사능을 낮춘 후 건식저장시설로 운반해 보관한다.

 

습식저장시설과 달리 건식저장시설에서는 방사선 차폐를 위해 금속 또는 콘크리트 용기에 밀봉해 보관하므로 안전조치 검증 측면에서는 접근이 매우 어렵다. 밀봉된 용기를 개봉하여 확인하고 다시 밀봉하는 것은 더욱 위협이 될 수 있으므로, 밀봉된 상태에서 핵물질이 초기 상태와 동일하게 보관되어 있는지를 판별하는 기술이 필요하다.

 

이에 KINAC에서는 마치 의료용 CT 촬영과 같이 용기 내부를 볼 수 있는 중성자 단층촬영기술을 개발 중이며, 해당 기술이 개발되면 용기 내부의 사용후핵연료 건전성(Integrity) 확인이 용이해져 사찰 업무에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

 

 

또한 중수로 습식저장시설에서의 핵물질 검증에 사용하는 OFPS 장비도 개선을 추진 중이다. OFPS는 2005년 KINAC이 개발한 장비로 IAEA 인증을 거쳐 실제 검사원들이 원자력발전소 물자재고검사(PIV) 시에 활용하고 있는 장비이다.

 

OFPS를 현장에서 쉽게 이동시키고 편리하게 설치하기 위해 경량화할 것이다. 또 분해 및 조립을 단순화하고 소프트웨어 및 편의성 개선하며 및 소형화를 추진하고자 한다. 특히 국내 검사원 및 IAEA 사찰관들의 실제 사용 경험을 토대로 하고 있어 실질적인 개선이 기대된다.

 

 

핵물질의 정밀 분석을 위한 체계 구축

 

안전조치에 대한 국가검사 범위와 역할이 확대되면서, 핵물질 관리 및 신고 현황에 대한 신고 내용을 국가 자체적으로 검증하기 위한 역량 확보가 중요해 졌다.

 

이에 KINAC은 독자적인 핵물질 검증 능력 강화를 위한 연구개발을 추진하고 있다. 특히 특정핵물질 구축·운영을 위한 체계를 갖추고 안전조치 검증을 위한 데이터를 축적하는 연구를 추진한다.

 

안전조치는 원자력 사업자가 신고한 핵물질의 정보와 KINAC이 계량관리 정기검사 시에 직접 채취한 시료를 분석한 결과를 비교하는 절차를 거친다. 이 과정에서 보다 정밀한 분석과 IAEA 사찰에 대한 검정 및 적기대응을 위해 열이온화질량분석장비(TIMS)를 도입해 시료 검증 시스템을 구축하고 있다.

 

이 장비는 열을 이용해 시료를 이온화시켜 질량에 따라 원소를 분리해 내는 것으로, 특정핵물질 내 우라늄 동위원소의 질량을 분석할 수 있어 핵물질 검증에 이용된다.

 

KINAC은 시스템 구축 후 국내 연구기관, 국제기관과의 교차분석을 통해 분석의 타당성을 확인할 예정이며 국가 규제기관 자체적인 핵물질 분석 역량을 공고히 하고자 한다. 나아가 한국에서는 핵물질이 잘 관리되고 있음을 국제사회에 보여주어 핵투명성과 국가 신뢰도를 더욱 높이는 데 기여할 것으로 기대한다.

 

이 분석 기술은 안전조치뿐만 아니라 핵안보 측면에도 활용될 수 있다. 신고되지 않은 핵물질이 발견되면 테러 등 범죄에 이용될 수 있다고 의심한다. 이에 즉시 핵물질의 특성을 파악해서 이들의 정체와 출처, 유통경로를 파악하는 핵감식을 진행한다.

 

KINAC은 지난 5년간의 연구를 통해 핵물질이 발견됐을 경우 대응체계와 핵감식을 위한 데이터베이스(라이브러리)를 구축하는 데 노력해 왔다. 최근에는 분석에 더 집중하고 있으며, 핵감식 시스템을 구축하는 데 필요한 인자를 구체적으로 정의하는 연구가 진행 중이다.

 

이는 시료 분석에 필요한 기술요소를 추려내고 집중적으로 연구할 분야를 선별하는 작업으로 현장에서의 시료 분석, 검사의 수행 절차, 핵감식 인자 선별의 세 가지 부문으로 나누어 진행된다. 2018년까지 주요 공통 기술을 도출하는 작업을 마무리하고 올해부터는 핵물질 측정 기술 고도화를 집중적으로 연구한다.

 

이와 같이 KINAC은 현장에서의 즉각적인 검증 장비 개선 및 시료의 채취, 운반, 분석 체계를 구축함으로써 국가 사찰 역량 강화를 위한 연구기반을 확충해 오고 있다. 또한, 추가적인 전문인력 확보 및 연구시설 확충을 통해 역량 고도화를 추진 중이며, 향후 기술력 기반의 핵비확산·핵안보 규제 전문기관으로 도약할 것으로 기대한다.

 

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