연세대학교 미래캠퍼스 원주산학협력단(단장 김택중)과 한국원자력통제기술원(원장 황용수)은 약 2년간의 원자력안전연구개발사업을 통해 국내 최초로 ‘3차원 위치검출용 뮤온 단층촬영 시스템’을 개발하는데 성공했다.

사용후핵연료 건식저장시설의 안전조치를 위해 개발한 본 단층촬영 시스템은 우주방사선인 뮤온 입자를 이용하는 방식으로, 국내에서 핵물질 안전조치 검증목적의 3차원 뮤온 단층촬영 시스템을 개발한 것은 최초이다.

뮤온은 우주선이 대기권 내 원자들과 충돌하면서 생성되는 2차 우주방사선으로, 두꺼운 물체도 쉽게 통과할 정도로 투과력이 좋지만, 우라늄과 같은 무거운 원소와 부딪힐 때에는 산란반응에 의해 운동궤적이 변화한다.

이런 특성을 이용해 촬영대상의 앞과 뒤쪽에 뮤온 영상검출기를 두고, 뮤온 입자가 대상을 투과할 때 생기는 산란각도 변화를 측정함으로써 대상 물질을 식별하고 3차원 위치를 특정할 수 있다.

이 단층촬영 시스템을 이용하면 사용후핵연료 건식저장시설을 열어보지 않고도 내부에 핵물질이 얼마나 보관되어 있는지 확인할 수 있다. 이러한 기술을 선제적으로 개발함으로써 핵물질의 효율적 검증이 가능해져 향후 사용후핵연료 관리의 투명성 제고에 기여할 것으로 기대된다.

특히 뮤온이라는 자연방사선을 이용하므로 방사선 피폭 및 대상 물체의 손상이 없으며, 설치가 간편하다는 장점이 있다.

연세대학교 미래캠퍼스 방사선융합공학과 정용현 교수 연구팀은 플라스틱 섬광체와 파장변이섬유(Wavelength-shifting fiber, WLS), 실리콘광전자증배소자(Silicon Photomultiplier, SiPM)를 이용함으로써 기존 장치에 비해 계측 효율이 높고, 성능(공간분해능)이 우수한 뮤온 단층촬영 시스템을 개발했다.

교수는 “이번 연구를 통해 뮤온 검출기의 제작기술, 신호처리기술, 영상재구성 알고리즘 등 뮤온 단층촬영 시스템의 핵심기술을 확보했다는 것에 큰 의의가 있다”며, “개발한 시스템을 통해 사용후핵연료 건식저장시설 감시는 물론 공항이나 항만에서의 핵물질 탐지, 지하구조 탐사, 대형구조물 비파괴검사 등에도 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

한국원자력통제기술원 연구지원관리실장 정희준 박사는 “이번 3차원 위치검출용 뮤온 단층촬영 시스템 개발은 국내 핵물질 탐지 기술을 세계적인 수준으로 끌어올린 중요한 성과이며, 다양한 산업에 적용이 가능해 국내 기술 발전 및 국가 경쟁력 향상에도 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.