과학기술 50년사 3편 과학기술 분야별 발전

2011년 3월 11일 발생한 진도 9의 동일본 대지진으로 일어난 일본 후쿠시마의 제1원전 사고는 정상 가동 중인 원자력 발전소에서 중대 사고가 발생한 것으로서, 당사국인 일본뿐만 아니라 전 세계적으로 원자력 발전의 안전성에 대한 우려를 낳았다. 또한 원자력 발전의 경제사회적 가치에 대한 인식도 급속히 악화되었다. 중단기적으로는 신규 원전의 도입이 정체되었고, 특히 유럽을 중심으로 독일, 이탈리아 등이 원자력 발전 계획을 재검토했다. 동시에 원자력 시설을 운영하는 거의 모든 나라가 원자력 시설의 안전성을 점검했다. 우리 정부 역시 후쿠시마 원전 사고 이후 73명의 산･학･연 전문가로 구성된 점검단을 조직하여 국내 원자력 발전소를 비롯한 시설의 안전을 점검했다. 그리고 후쿠시마 원전 사고와 같은 자연재해가 발생하더라도 원자력 시설의 안전성을 확보할 수 있도록 총 50개의 장단기 개선 대책을 도출하여 시행했다. 이런 모든 개선 대책들은 2011년부터 2015년까지 5년 동안 1조원 이상의 예산을 투입하여 추진되었고, 그 이후에도 이동형 디젤 구동 펌프 확보, 장기 전원 상실 대비 비상 통신 설비 확보 등 10개의 추가 개선 대책을 시행하고 있다(권맹섭, 2015, pp.146~149). 물리학 연구의 국제 수준을 높이기 위한 대형 시설의 건립에도 주목할 만하다. 그 하나는 포항에 건립된 4세대 방사광 가속기다. 이 가속기는 기존의 포항 방사광 가속기 옆에 새로이 건설했는데, PAL-XFEL(Pohang Accelerator Laboratory X-ay Free Electron Laser)이라고 부른다. PAL-XFEL의 건설 책임자는 포항공대의 고인수 교수였다. 2016년 4월 완공시 시험 가동에서 파장 0.5 nm인 XFEL을 얻는데 성공하였다. 이 결과는 2주후 다른 외부 위원회 의 검증을 받아 미국, 일본에 이어 우리나라가 세계 3번째로 XFEL을 현실화 한 것이 확인되었다. XFEL의 특성은 첫째 이 빛이 결맞는 빛이고, 둘째로 빛의 순간 세기가 3세대 방사광가속기 보다 100억 배 정도로 엄청 크기 때문에 나노 크기의 물체 구조도 선명하게 관찰할 수가 있다는 점이다. 세 번째 특성은 극초단 펄스 형태의 광원이어서 펨토초(10-15초) 수준에서 일어나는 물질의 변화를 관측할 수가 있다는 점이다. 이러한 장점 때문에 XFEL을 ‘꿈의 광’이라고 부르기도 한다. 나노 크기의 분자수준에서 일어나는 화학적 결합 현상이나 원자의 동적 현상은 거의 펨토초 정도의 짧은 순간에 일어나기 때문에 4세대 XFEL처럼 강하고 짧은 X-선 파장의 빛이 필요하다. 유럽에서도 11개국이 공동으로 참여하여 XFEL 가속기를 건설하고 있다. 국내 연구자들뿐만 아니라 외국의 연구자들도 새로운 포항 XFEL을 사용하기를 희망하고 있다. 포항 XFEL은 나노 세계와 펨토초의 동역학적 현상을 보는 현미경 역할을 하여 미래의 새로운 물질 개발과, 관련된 물리, 화학, 그리고 생물학적 연구에 기여할 것으로 기대된다. 이는 국내 물리학뿐만 아니라 화학 생명과학, 재료분야의 학술적 수준을 크게 높이는데도 기여할 것이다. 다른 하나의 대형 시설은 2017년 현재 설립 중인 중이온 가속기다. 중이온 가속기는 2008년 기획된 국제 과학 비즈니스 벨트 사업 초기부터 포함된 대형 국책 사업의 하나였다. 세계의 중이온 가속기 방식은 저에너지 양성자 빔을 가속하여 무거운 표적 원자에 충돌시키는 방법과, 높은 에너지의 중이온 빔을 탄소와 같은 가벼운 원자에 충돌시키는 방법으로 나누어져 있다. 한국형 중이온 가속기는 기존의 두 가지 방식을 혼합하여 기존의 가속기보다 더 새로운 희귀 동위원소를 발견할 가능성이 높을 것으로 예상된다. 이 중이온 가속기 사업은 2021년 완공을 목표로 총사업비 1조 5천억 원을 투입할 예정이다. 다만 초기의 정책적 혼선으로 완공 시기가 지연될 가능성이 있다. 또한 핵심적인 이온 발생 장치, 가속 장치 및 희귀원소 생성 장치 외에도, 생성되는 희귀원소를 사용하여 다양한 응용연구를 수행하기 해 필요한 실험 설비 예산 확보 문제가 대두될 가능성이 있다. 2017년 현재 중이온 가속기 건립 사업은 부지 선정이 끝나고 시공 단계에 이른 것으로 알려져 있다. 한 가지 우려되는 점은 중이온 가속기를 이용할 다양한 사용자 그룹을 미리 적극적으로 육성하는 제도가 필요한데 이에 대한 준비가 미흡하다 는 데 있다. 우리나라 전파천문학은 1975년에 국립천문대 초대 대장으로 부임한 민영기 박사가 기반을 닦기 시작했다. 국내 최초 전파천문학 박사인 그는 전파천문학의 불모지였던 우리나라에 14m 전파망원경 도입과 우주전파관측소 건설을 추진해 국내에 전파천문학의 기반을 마련했다. 우리나라 최초의 전파관측소 건설 사업은 1981년부터 3년에 걸쳐 미국의 전자우주시스템(ESSCO)과 14m 전파망원경 시스템 일체인 안테나, 수신기, 분광기, 컴퓨터와 설치 감독 등을 계약하며 시작했다(한국천문연구원, 2014, p.108). 광학천문학보다 전파천문학 분야의 연구개발이 늦었던 이유는 초창기 한국에는 전파천문학을 연구하는 천문학자가 거의 없었기 때문이다. 사실 1984년 전파망원경이 설치될 때까지도 국내에는 전파천문학을 전공한 사람은 민영기 박사 1명밖에 없었다. 당시 한국천문연구원은 이 전파망원경을 설치하려고 광학천문학을 전공한 천문대 소속 직원 일부를 전파천문학 전공자로 바꾸기도 했다. 2000년 당시 국내의 전파천문학은 건설 후 15년이 지난 대덕 전파천문대의 14m 전파망원경에만 의존해 연구하던 수준이었다. 이 연구 장비로는 세계적인 수준의 연구결과를 창출하기 어려웠다. 이에 한국천문연구원을 중심으로 전파천문 분야 장기 발전 계획 수립에 나섰다. 그리고 단일경 전파망원경에서 벗어나 초장기성 전파간섭계(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)를 선택했다. 또 기존 초장기성 전파간섭계 전파망원경이 수행할 수 없는 86GHz 이상의 높은 주파수대역을 선택해 수신 장치와 대기위상보상 같은 자료처리를 구현할 수 있는지 검토했다. 한국천문연구원은 최종적으로 4개 주파수(22, 43, 86, 129 GHz) 대역의 초장기성 전파간섭계 동시관측을 목표로 2008년 3기의 21m 전파망원경을 연세대, 울산대, 탐라대에 설치했다. 전파간섭 시스템 KVN은 2009년부터 단일경을 활용한 연구 관측을 시작하고, 2010년에 첫 단일경 논문을 발표하였고 2012년에는 전파간섭 시스템 KVN을 이용한 첫 초장기성 전파간섭계 논문을 출판했다. 전파간섭 시스템 KVN은 세계 최초로 개발한 4채널 초장기성 전파간섭계 동시관측 시스템이다. 이 시스템에서는 3대의 전파망원경으로 동시 관측을 수행하는데, 이렇게 하면 서울-울산-제주로 이어지는 500km 원을 직경으로 하는 망원경과 동일한 분해능으로 천체를 관측하는 효과를 얻을 수 있다. 이 기술로 미국 특허를 취득했고, 2011년에는 한국천문연구원이 과학기술 창의상 대통령상 수상 기관으로 선정됐다(한국천문연구원, 2014, p.261). 전파간섭 시스템 KVN 기술팀은 이어서 2013년 세계 최초로 4채널의 초장기성 전파간섭계 동시관측 이미지 취득에 성공했다. 2013년부터 한국의 KVN과 일본의 우주전판 관측망인 VERA(VLBI Exploration Radio Astrometry)를 잇는 한일 공동 초장기성 전파간섭계 관측 연구를 시작하여 동아시아권 전파망원경을 잇는 3국간의 첫 초장기성 전파간섭계, 직경 5000km 관측에도 성공했다. 이는 초장기성 전파간섭계 관측 장비로 세계에서 가장 우수한 미국의 VLBA(Very Large Baseline Array) 성능에 필적할 만한 수준이다.