Double-differential neutron-induced cross sections on Fe-nat at GANIL-NFS

강철 뼈대 내부의 핵반응로 안에서는 조용하지만 끊임없는 전투가 벌어지고 있습니다. 고속 중성자가 금속에 충돌할 때, 중성자는 단순히 튕겨 나가는 것이 아니라 원자핵을 산산조각 내어 수소와 헬륨 가스의 미세한 파편들을 만들어냅니다. 수년간의 운전 과정 동안 이러한 가스들은 고체 금속 내부에 축적되어, 마치 물을 너무 많이 흡수한 스펀지처럼 금속을 부풀게 하고 취성을 유발합니다. 이 손상은 핵융합이나 핵분열의 엄청난 에너지를 담도록 설계된 바로 그 용기의 구조적 무결성을 위협합니다. 반응로가 얼마나 오랫동안 안전하게 작동할 수 있는지 예측하기 위해, 과학자들은 중성자가 핵반응로 강철의 주성분인 철과 정확히 어떻게 상호작용하는지 알아야 합니다. 그들은 단순히 얼마나 많은 입자가 튀어나오는지가 아니라, 그 입자들이 정확히 얼마만큼의 에너지를 가지고 어느 방향으로 날아가는지를 측정해야 합니다.

수십 년 동안 과학자들은 현대식 반응로에서 발견되는 고에너지 중성자에 대한 이러한 측정값을 얻는 데 어려움을 겪어 왔습니다. 낮은 에너지 영역에 대한 데이터는 존재하지만, 물리학이 복잡하고 모델링하기 어려워지는 1,400만 전자볼트 이상의 영역에서는 그림이 흐릿하고 불확실해집니다. 이 고에너지 구간에서의 정밀한 데이터 없이는, 안전한 반응로를 설계하는 데 사용되는 컴퓨터 시뮬레이션이 추측에 의존할 수밖에 없으며, 이는 엔지니어들이 구조물의 수명을 확신하는 데 있어 불확실성을 남깁니다. 최근 한 연구팀은 이 간극을 메우기 위해 자연 철에 부딪히는 중성자의 거동을 전례 없는 세부 사항으로 매핑하는 새로운 실험을 수행했습니다.

실험은 연구용 중성자 빔 생산에 전념하는 프랑스 캉(Caen)에 위치한 'Neutrons For Science' 시설에서 2023년에 진행되었습니다. 연구팀은 스웨덴 웁살라 대학교에서 제작되었으며, 핵이 분열될 때 튀어나오는 빛과 전하를 띤 입자들을 포착하도록 특별히 설계된 Medley라는 특수 장비를 사용했습니다. 이 설정은 본질적으로 중앙에 천연 철 타겟이 놓인 커다란 빈 진공 챔버입니다. 이 타겟을 둘러싸고 있는 여덟 세트의 검출기는 바퀴의 살처럼 배치되어 있으며, 각각 서로 다른 각도로 날아오는 입자를 추적할 수 있습니다. 철 타겟 자체는 중성자 빔과 상호작용할 만큼 충분히 두꺼우면서도, 결과물인 입자들이 에너지를 너무 많이 잃지 않고 빠져나올 수 있을 만큼 얇은 박(foil) 형태였습니다.

연구를 위한 조건을 만들기 위해, 시설은 철 타겟에 중성자 빔을 발사했습니다. 이 중성자들은 모두 같은 속도가 아니었습니다. 대신, 이들은 저에너지부터 최대 4,400만 전자볼트에 이르는 넓은 스펙트럼을 포함하는 "화이트(white)" 빔을 형성했습니다. 중성자가 철을 타격함에 따라 양성자, 듀테론 및 기타 가벼운 입자들을 방출하는 핵반응을 일으켰습니다. 망원경 형태로 배열된 검출기들은 이렇게 탈출하는 입자들을 포착했습니다. 연구진은 일련의 실리콘 층과 최종 신틸레이터 결정에 각 입자가 전달하는 에너지 양을 측정함으로써, 그것이 정확히 어떤 종류의 입자인지, 그리고 얼마나 빠르게 움직이는지를 식별할 수 있었습니다.

과정의 핵심적인 부분은 타이밍이었습니다. 연구진은 입자가 타겟에서 검출기까지 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하여, 이를 중성자 빔이 생성된 정확한 순간과 비교했습니다. 이 비행 시간(time-of-flight) 측정법을 통해 그들은 모든 개별 사건에 대한 입사 중성자의 에너지를 계산할 수 있었습니다. 입자들이 철 타겟 자체를 통과하면서 소량의 에너지를 잃기 때문에, 연구팀은 입자들이 처음 태어났을 때의 실제 에너지를 재구성하기 위해 수학적 보정을 적용해야 했습니다. 그들은 입자가 금속 내부에서 어떻게 에너지를 잃는지 모델링하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했으며, 이후 통계적 방법을 사용하여 원래의 데이터를 역설계함으로써 타겟 물질로 인한 왜곡을 효과적으로 제거했습니다.

이 세심한 작업의 결과는 '이중 미분 단면적(double-differential cross section)'이라는 새로운 측정값 세트이며, 이는 단순히 특정 각도와 특정 에너지로 입자가 방출될 확률을 의미합니다. 연구팀은 중성자가 1,450만 전자볼트의 평균 에너지로 철을 타격할 때 방출되는 양성자에 대한 값을 성공적으로 측정했습니다. 그들은 양성자가 20도에서 160도 사이의 각도로 날아가는 양을 매핑하여, 방출 패턴에 대한 상세한 그림을 그려냈습니다. 데이터는 실험 설정이 안정적으로 작동하여 입자들을 높은 정밀도로 포착했으며, 팀이 에너지 손실에 대한 보정을 적절히 수행할 수 있었음을 보여주었습니다.

수집된 모든 데이터에 대한 전체 분석은 아직 진행 중이지만, 1,450만 전자볼트 중성자에 대한 예비 결과는 이미 유망합니다. 연구진은 자신들의 측정값이 표준 수학적 곡선과 매끄럽게 일치한다는 것을 발견했으며, 이는 데이터가 일관되고 신뢰할 수 있음을 시사합니다. 이 성공은 이 시설에서 Medley 설정의 유효성을 입증하며, 에너지 손실 및 입자 식별에 대한 복잡한 보정이 올바르게 처리되었음을 확인해 줍니다. 연구팀은 이제 이러한 측정을 4,400만 전자볼트 전체 에너지 범위로 확장하고, 헬륨 핵과 같은 다른 유형의 입자들을 분석하는 작업을 진행하고 있습니다.

이 연구는 핵 공학자들에게 매우 중요한 퍼즐 조각을 제공합니다. 고에너지 폭격 하에서 철이 어떻게 행동하는지에 대한 실질적인 데이터를 제공함으로써, 이 연구는 미래의 핵융합로를 설계하고 기존의 반응로 안전성을 평가하는 데 사용되는 컴퓨터 모델의 토대를 더욱 견고하게 만듭니다. 구조 재료가 시간이 지남에 따라 어떻게 퇴화할지를 예측하는 능력은 더 깨끗한 에너지원으로의 전환에 필수적이며, 이번 실험은 그러한 예측을 더욱 정확하게 만드는 데 있어 중요한 진전을 이루었습니다. 연구진은 이러한 까다로운 상호작용을 높은 정밀도로 측정하는 것이 가능하다는 것을 증명했으며, 이는 언젠가 별의 힘을 담게 될 재료들을 더욱 엄격하게 테스트할 수 있는 문을 열었습니다.