중국, 수소-리튬 원자 충돌 핵반응 이용한 휴대용 중성자 총 개발

[아이티데일리] 중국 북서부 군산복합센터의 연구진이 수소와 리튬 원소를 이용해 강력한 중성자 빔을 생성할 수 있는 소형 핵 장치 즉, 휴대형 중성자 총을 개발했다.

개발된 중성자 총은 전자기 방식을 이용해 수소 양성자를 리튬 원자에 충돌시켜 핵융합 반응을 유도하는 방식이다. 그 결과 손톱 정도 크기의 빔에서 초당 100억 개의 고속 중성자를 방출하는 전례 없는 성능을 실현했다고 사우스차이나모닝포스트(CSMP)가 전했다. SCMP는 개발진의 입을 빌어 “무기로 사용될 가능성은 없다”고 했지만, 중국 매체라는 한계에 의한 발언일 뿐, 기술적으로 무기화가 불가능한 것은 아니라는 평가가 많다.

방출된 중성자 각각은 약 300만 전자볼트(eV)의 에너지를 갖고 있어 원자폭탄에서 방출되는 입자 수준에 필적한다. 그러나 원자폭탄이 살상용인 것과는 달리, 이 중성자 총은 파괴가 아닌 평화적 혹은 다목적 활용을 목적으로 한다. 전하를 띠지 않은 이 중성자는 고밀도 물질도 투과하기 때문에 ‘원자 손전등’이라는 별명으로도 불린다.

제어된 중성자 빔은 물질이나 생체 등 유기 조직의 미세 구조를 관찰하는 정밀 도구로 활용된다. 교량이나 항공기 날개의 균열 탐지, 종양 식별, 폭발물 검출, 바이러스의 원자 구조 조사 등에서 큰 역할을 수행한다. 연구진은 중성자 빔이 대규모 시설에서만 가능한 것으로 여겨졌지만, 이제는 그 한계를 넘었다고 강조했다.

냉전 시대에 등장한 ‘께끗한 무기(clean bomb)’와 같은 중성자탄은 인프라를 파괴하지 않고 인명만 살상하는 목적으로 개발된 바 있다. 수소폭탄이 대표적인 것으로 방사성 물질을 누출하지 않고 열만 높이기 때문에 깨끗하다는 표현이 사용됐다. 그러나 연구진은 이번 수소-리튬 중성자 총이 무기로 즉시 전용될 가능성은 없다고 선을 그었다. 물론 이는 중국이라는 국가적 특성을 감안한 SCMP의 정치적 해석, 또는 연구진의 주장일 가능성이 농후하다. 무기화 가능성이 없다고 단정하기 어렵다는 뜻이다.

이번 개발의 핵심은 장치의 초소형화다. 시안 현대제어기술연구소(Xian Modern Control Technology Research Institute)는 이 중성자 펄스 구동 장치는 소화기 크기에 불과하며 직류 10와트만으로 작동한다고 밝혔다. 내부에서는 기계식 해머가 압전 세라믹을 타격해 100만 볼트의 전기 펄스를 나노초 내에 생성한다.

이 전류는 찻잔 크기의 핵반응 장치(초소형 원자로)로 전달돼 수소 기체를 과열시키고 전자기장을 형성해 플라즈마를 거의 완벽한 구형으로 압축한다. 이 상태에서 양성자는 리튬으로 코팅된 음극으로 발사된다.

이 과정의 핵심 기술은 ‘편극 공명(polarised resonance)’이라는 접근법이다. 이 방식은 기존 대비 핵융합 확률을 100만 배 증가시킨다. 이 극한 조건에서 베릴륨과 붕소가 생성되며 대량의 중성자 에너지가 방출된다.

가장 주목할 점은 지극히 일반적인 소재만 사용한다는 것이다. 연구진을 이끈 위안 준 수석 엔지니어는 발표된 논문에서 “이 반응의 가장 주목할 점은 흔한 리튬과 수소만을 사용했다는 것”이라고 밝혔다. 이 연구는 ‘고출력 레이지 및 입자 빔(High Power Laser and Particle Beams) 저널에 발표됐다. 논문은 “기존에 공개됐던 어떤 문헌에서도 이런 방식은 등장한 적이 없다”고 평가했다.

수소와 리튬은 친환경 에너지 전환의 핵심 원소이기도 하며, 이제는 소형 핵기술의 주역으로 부상하고 있다. 연구진은 두 원소의 높은 반응 단면적과 중성자 증폭 효과의 장점도 언급했다. 또 이 장치는 시험 운전 중 30분 연속 작동하며 안정성을 입증했다고 한다.

연구진은 논몬에서 “이 시스템은 외부로부터의 고전압 전원 공급이 필요 없고, 전자적으로 반복 동작이 가능하며, 상당한 전력 증폭 기능, 단순한 구조, 비용 효율성 등을 갖춘 자체 구동 펄스 시스템”이라고 적었다.

다만 이 시스템의 상용화는 적지않은 시간이 소요될 것으로 예상된다. 전문가들은 중성자 생성 방식은 이론적으로는 타당하지만, 찻잔 정도의 크기와 소화기만 한 장비 등 초소형 핵융합 반응기가 플라즈마의 유지 또는 고온 고압 환경을 제공하는 데 물리적인 제약이 크다고 밝혔다.

초당 100억 개의 중성자가 방출되면 상당한 수준의 방사선을 동반할 수밖에 없다. 따라서 방사선 차폐 없이 작동이 어렵기 때문에 휴대용으로 지니는 데 위험이 따른다. 정확한 반응 조건이 유지되어야 하는 핵융합 과학에서 상당 시간 융합 반응을 유지했다는 실험 결과에 대한 객관적인 증빙도 필요하다는 지적이다.