[PJT ZoomIN]4세대 방사광가속기, World Best 기술과 함께 하다

 

 

포스코ICT 속 숨어 있는 사업과 기술을 소개하는 ’Project ZoomIN’ 그 첫 번째 시간에는 지난 4월 미국, 일본에 이어 세계 세 번째로 본격적인 시운전에 들어간 ‘4세대 방사광가속기’ 프로젝트에 대해 알아볼까 하는데요. 이름부터 생소한 ‘4세대 방사광가속기’ 어떤 World Best 기술을 담고 있을지 포스코ICT 블로그에서 낱낱히 파헤쳐 보도록 하겠습니다.

 

 

 

방사광가속기? 1km가 넘는 초대형 현미경?

 

 

 

방사광가속기는 전자를 빠르게 가속시켜 만든 빛인 ‘방사광’으로 물질의 미세 구조와 현상을 관찰하는 거대하고 정교한 ‘현미경’입니다. 가속기는 다양한 분야에 활용되는데, 신약 개발의 숨은 공로자이기도 합니다. 발기부전 치료제 비아그라와 신종 플루 치료제 타미플루는 가속기를 통해 단백질 결합구조를 밝혀낸 덕분에 만들 수 있습니다.

 

 

 

 

가속기는 나오는 빛에 따라 세대를 나누는데, 3세대 가속기는 도넛 모양 관에서 전자를 뱅뱅 돌리며 빛의 속도에 가깝게 가속시키는 반면 4세대 가속기는 활시위를 당기듯 전자를 쏴 가속시킵니다. 곧게 뻗은 4세대 가속기는 건물 길이만 1.1㎞로, 단일 과학 실험장비로는 국내 최대 규모입니다. 4세대 가속기에서 나오는 빛은 3세대 가속기보다 100억 배 밝고 진폭이 짧아 어떤 물질이 1000조 분의 1초(펨토초)로 움직이는 모습을 정확하게 포착할 수 있습니다. 4세대 가속기가 본격적으로 가동되면 3세대 가속기에서 접근할 수 없었던 깊이 있는 연구를 진행할 수 있습니다. 살아있는 세포를 이용해 생명현상을 실시간으로 관찰할 수도 있고, 수소와 산소가 결합해 물이 만들어지는 과정을 지켜볼 수 있는 날이 멀지 않다고 합니다. 이런 대단한 기초과학사업에 우리 회사의 World Best급 기술이 적용 되었다는데요, 과연 어떤 기술일까요?

 

 

 

 

  

World Best급 기술, 어떤 기술일까? 

   

 

 

 

[KSTAR 토가막 내부]

 

포스코ICT는 제철소 전기제어 분야의 축적된 기술력을 바탕으로 국내 최초 거대기초과학 실험장치인 포항가속기 건설사업(1991~1994)의 고정밀전원장치 및 고전압전원장치 설계부터 설치, 시운전까지 수행했습니다. 이를 계기로 KSTAR 핵융합장치(1996~2013)의 대전류/고전압 전원장치 및 제어시스템 공급까지 수행하며 ‘특수 전원장치 및 제어분야’에 남다른 기술력을 보유하게 되었고, 이는 4세대 방사광가속기 사업에 참여할 수 있는 기반이 되었습니다.

 

 

[선형가속기 전자가속 모듈 구성]

 

 

회사는 4세대 방사광가속기 건설에서 ‘200MW 모듈레이터 공급 사업’과 ‘상위제어시스템 구축 사업’에 참여했습니다. 모듈레이터는 전자총에서 발생된 전자를 빠르게 가속하는 선형가속기의 모듈 중 하나로, RF를 증폭하는 클라이스트론에 안정적인 전원을 공급하는 장치입니다. 주관연구기관인 포항가속기연구소는 모듈레이터의 핵심인 CCPS(Capacitor Charging Power Supply)의 국산화 개발 성공을 사업 참여자격 기준으로 꼽았고, 이를 위해 회사는 모듈레이터 CCPS 개발을 본격적으로 추진했습니다.

 

 

 

[ 모듈레이터 시제품 ]

 

 

특히 CCPS에 필수적으로 사용되는 고출력 고전압 펄스변압기(Pulse Tr.)의 국산화 개발에 주력했는데요. 펄스변압기의 경우 고가의 해외업체 제품을 사용했기 때문에 비합리적인 가격인상을 수용할 수 밖에 없는 상황이었습니다. 이런 불합리함을 극복하기 위해 펄스변압기 제작 기술을 확보한 국내 업체와 CCPS 공동 개발을 추진해 모듈레이터 시제품을 제작했고, 최종 출력 목표를 상회하는 200MV, 전압안정도 20ppm을 달성해 사업을 수주하게 되었습니다.

 

 

또한 모듈레이터의 핵심요소기술인 고정밀 CCPS 제어기술, 고전압 절연기술, 출력전압 30ppm 이하 측정기술, 방열 및 노이즈 저감 기술 등을 모듈레이터 시제품 개발 단계에서 성공적으로 확보해 이번 사업을 성공적으로 수행할 수 있었습니다.

 

 

 

프로젝트 성공의 주역! 

 

 

프로젝트팀은 CCPS 개발 후 성능평가를 위해 포항 시뮬레이션 공장에서 3개월간 연속운전 시험을 진행했습니다. 이번 프로젝트에 참여한 4명의 직원들이(신현석 PCP, 장계용 시니어매니저, 윤민성 시니어매니저, 송요훈 매니저) 주야 교대로 24시간 상주하며 시험을 진행했는데, 시뮬레이션 공장에 냉난방 시설이 갖추어 있지 않아 여름에는 땀이 비오 듯 했고 겨울에는 입김을 호호 불어가며 정말 많이 고생했다고 합니다.

 

 

 

[ 포항 시뮬레이션 공장 ]

 

 

프로젝트를 진행하며 힘든 시간도 많았지만 CCPS 공동 연구개발 및 모듈레이터 시제품 제작을 통해 4세대 모듈레이터 성능 달성의 기준인 출력전압안정도 기준 50ppm 이내를 달성했을 때는 모든 프로젝트 팀원들이 뛸 듯이 기뻐하며 뿌듯한 보람을 느끼기도 했다는군요.

 

 

 

[4세대 방사광가속기 모듈레이터 설치 전경]

 

 

회사는 World Best급으로 개발된 이번 모듈레이터 기술을 활용해 국내외 가속기 사업에 활발하게 참여할 계획입니다. 우선 국내에 건설 중인 중이온가속기(2015~2021) 사업 참여를 위해 RF 증폭기 개발을 추진하고 있고, KSTAR NBI-2 공급 사업 수주를 위한 제안 작업도 한창입니다. 해외로는 미국 SLAC의 4세대 방사광가속기 업그레이드 프로젝트인 LCLS-Ⅱ 사업, 국제선형충돌가속기(ILC) 사업 참여를 위한 모듈레이터 개발을 진행하고 있습니다.

 

 

회사가 수십 년 쌓아 온 기술력과 4세대 방사광가속기 사업에서의 성공과 노하우를 바탕으로 가속기 분야를 비롯한 거대기초과학분야의 전문기업으로 더 큰 도약하길 기대해 봅니다.