Contents
- Concept
- Principle
- Status
- Related research
- Reference
1. Concept
What is the 'spallation' ?
고에너지 입자의 충격에 의해서 일어나는 핵반응의 일종. 일반적으로 2개 이상의 입자(중성자·양성자·α입자)가 방출되는 현상. 핵분열과 비슷하나 다른 현상이며 반응에 의해 많은 파편이 방출된다.
SNS는 가속기 기반 시스템으로 중성자를 생산하여 짧은(microsecond) 양성자 펄스를 액체 수은으로 채워진 강철 표적에 전달한다.
미국에 위치한 Oak Ridge National Laboratory (ORNL)의 SNS는 2006년에 운영을 시작했으며 현재 세계에서 가장 강력한 가속기 구동 중성자원이며, 1MW의 전력으로 작동한다.
파쇄반응을 통해 중성자를 발생시켜 중성자 산란 기술을 이용한 연구를 수행한다. 중성자는 전하를 띠지 않기 때문에 전하를 띤 양성자와 전자의 저해를 받지 않으므로 비교적 쉽게 물질을 투과할 수 있다는 이점이 있다.
Spallation Neutron Source at ORNL
2. Principle
중성자 펄스는 의약품, 전자기기, 자동차 그리고 비행기와 같은 우리 일상을 위한 과학적 연구를 위해 사용된다.
Spallation Neutron Source (이하 SNS)는 음으로 하전된 수소이온을 만드는 ion source, 이를 가속시켜주는 linac(선형가속기), 저장공간의 역할을 하는 storage ring(저장링) 그리고 액체 수은 표적과 중성자 검출기로 구성되어 있다.
Ion source(stage 1) → Linac(stage 2) → Storage ring(stage 3) → Target(stage 4)
Schematic layout of the SNS, including the proposed STS(at right).
The beam path is shown in red.
Stage 1
Ion source는 전자 두개와 양성자 하나로 구성된 음하전의 수소 이온을 생산한다. 이러한 음수소 이온은 645 nano second의 매우 짧은 시간 펄스 단위로 나뉘게 된다.
SNS에서 음으로 하전된 수소 이온을 사용하는 이유는 stage 2에서이온들이 가속되어 stage 3의 저장링으로 효율적으로 주입되기 위해서 이다.
(이온이 음 또는 양으로 하전되어 있으면 중성상태일 때보다 비교적 가속시키기 쉽다)
Stage 2
이온들은 선형 가속기로 주입되어 고에너지의 빔으로 집속되며 빛의 속도의 90%의 속도로 가속된다. 또한 선형가속기는 희귀금속인 Niobium으로 구성된 초전도 공동(cavity)으로 구성되 있다.
(Normal conducting cavity와 Superconducting cavity를 혼합하여 사용한다)
이러한 공동은 liquid helium으로 2 degrees Kelvin까지 냉각된다. 또한 거대자석 혹은 자석격자가 공동으로 지나는 빔을 집속시키고 제어한다.
Stage 3
에너지를 얻은 이온들은 linac에서 storage ring으로 이동하며 carbon foil을 통과하여 전자 두개를 벗겨내며 양성자로 변환되어 통과된다.
양성자는 저장링을 반복적으로 돌며 1046개 단위의 양성자 다발로 축적된다. 각 단위의 양성자들이 합류하며 표적의 더 많은 면적에 충동하기 위해 더 넓은 면적을 만들며 퍼진다.
Stage 4
각 펄스는 100만분의 1초보다 짧다. 그 의미는 펄스가 초당 60번씩 표적을 때린다는 것이다. 양성자가 타겟을 때릴 때, 수은의 핵자가 여기되어 수백만개의 중성자를 방출한다. 이러한 반응 과정은 fallacious 라고 명명한다.
Stage 5 (conclusion)
수백만개의 중성자들은 아주 밝고 고강도의 빔으로 형성되어 연구 목적으로 사용된다.
이러한 빔은 실험을 위해 cooling이 되어야 하기 때문에 물로 채워진 수조를 지나며 상온으로 식혀져 감속된다.
냉각 중성자가 필요하기 때문에 빔은 또다시 liquid helium으로 채워진 컨테이너를 지나간다. Target station에는 이러한 상온과 냉중성자 검출을 위한 중성자 검출기가 설치되어 있다.
현재 중성자원은 연구 목적에 있어 두 종류로 사용되고 있다. 첫 번째는 고농축의 U235를 연료로 사용하는 핵분열 원자로 기반이고 두 번째는 비핵분열성 타겟에 충돌시켜 생산되는 가속기 기반의 펄스 형태 중성자원을 이용하는 방법이다.
3. Status
현재 전세계에서 SNS가 운영 및 건설중인 곳은 ORNL를 포함하여 총 다섯군데 이다.
SNS (Spallation Neutron Source) Oak Ridge, Tennessee, USA
JSNS (Japan Spallation Neutron Source) J-PARC, Japan
CSNS (China Spallation Neutron Source) Guangdong, China
ESS (European Spallation Source) Lund, Sweden
ISIS (ISIS neutron and muon source) Rutherford Appleton Laboratory, UK
4. Related research
Title : SPALLATION NEUTRON SOURCES*
Author : H. Klein Institut fUr Angewandte Physik der J. W. Gocthe-UniversiUil D-60054 Frankfurt am Main, FRG
현재 중성자원은 연구 목적에 있어 두 종류로 사용되고 있다. 첫 번째는 고농축의 U235를 연료로 사용하는 핵분열 원자로 기반이고 두 번째는 비핵분열성 타겟에 충돌시켜 생산되는 가속기 기반의 펄스 형태 중성자원을 이용하는 방법이다.
오늘날 몇 개의 고강도 충돌 기반 중성자원 시설들이 건설중이고 기존의 운영중인 시설들 또한 논의될 것이다. 덧붙여 시설의 전반적 레이아웃과 고전류의 선형가속기가 가지고 있는 문제들을 짧게 다룰 예정이다.
Title : SPALLATION NEUTRON SOURCES FOR SCIENCE AND TECHNOLOGY
Author : M.N.H. Comsan Nuclear Research Center, Atomic Energy Authority, Egypt
지난 20년간 SNS에 대한 관심이 높아졌다. 이 시스템은 고전류의 양성자 가속기 (GeV단위의 충돌)과 금속 타겟(수은부터 비스무스까지)를 포함한다. 현재 운영중인 고선속의 SNS는 다음과 같다. 영국의 ISIS, 스위스의 SINQ, 일본의 JSNS 그리고 미국의 SNS. 스웨덴의 ESS는 현재 건설중이다. SNS에 의해 제공되는 밀도높은 중성자빔은 원자로를 이용하지 않는다는 장점이 있다. 첨단기술이 결합된 중성자 시스템은 과학적 연구와 다양한 응용연구에서 잠재적 가치를 가진다.
Title : SPALLATION NEUTRON SOURCE AND OTHER HIGH INTENSITY PROTON SOURCES*
Author : WEIREN CHOU Fermi National Accelerator Laboratory P.O. Box 500 Batavia, IL 60510, USA E-mail: chou@fnal.gov
해당 문헌은 충돌 중성자원과 고에너지 양성자원의 설계에 관하여 소개한다. 선형가속기와 싱크로트론 기반의 두 가지 측면에서 논의한다. 각각의 접근 관점에 따라 필요 요소와 설계 개념이 제시된다. 장단점 또한 비교한다. 현재 운영중인 시설과 건설중인 시설 그리고 제안된 시설까지 짧게 다룬다. R&D 프로그램은 참고란에 포함되어 있다.
Title : Physics and technology of spallation neutron sources$ G.S. Bauer*
Author : Spallation Neutron Source Division, WHGA/252, Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen PSI, Switzerland
ADS(Accelerator Driven Systems)의 성능과 안전에 대하여 신뢰할만한 예측을 하기 위해선 많은 양의 연구가 필요하다. 특히 spallation target에 관하여는 더욱 그러하다. 지금까지, 실질적 연구 경험은 연구용 중성자원 개발에서 기인하였다. 핵분열과 핵융합 다음으로 spallation은 중성자를 발생시키기에 매우 효율적인 방법이다. 이 두 반응과 달리, 이것은 흡열성 반응이기 때문에 에너지 생성 시 그 자체로 사용해서는 안된다. Spallation 반응을 유지하기 위하여 주로 양성자와 같은 고에너지의 빔을 무거운 원소의 target에 충돌시킨다. Spallation은 beam 컨트롤을 통해 중성자선속을 쉽게 제어할 수 있다는 점에서 중요한 역할을 한다. 다소 복잡한 mcnp 계산 코드가 존재함에도, 많은 특징들은 간단하고 쉬운 물리적 원리로 이해가 가능하다. 기술적으로 spallation 시설은 건설하기 다소 어려운데, 그 이유는 안정적이고 경제적인 고출력의 가속기가 필요할 뿐만 아니라 target에서 발생하는 고준위의 방사선과 열을 다루기가 쉽지 않기 때문이다. (이하 방사선과 열 문제를 다루기 어렵다는 내용) 주요 해결책 중 하나는 molten heavy metal target을 이용하는 방법이다. 하지만 방사선 손상 문제를 논외로 하더라도, 다른 여러 문제점들이 고려되어야 한다. 따라서 이러한 문제들을 해결하고 여러 이점이 되는 R&D가 수행되고 있다.
5. Reference
1. New Science Opportunities at the Spallation Neutron Source Second Target Station. Prepared by OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY Oak Ridge, Tennessee 37831-6283 managed by UT-BATTELLE, LLC for the US DEPARTMENT OF ENERGY under contract DE-AC05-00OR22725 (ORNL brochure
2. https://www.ornl.gov/ (ORNL homepage)
3. https://www.youtube.com/watch?v=LOYmLVIQFyk (ORNL youtube)
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