NIST 전이모서리센서, 핵물질 X선 측정 불확도 최대 8분의 1로 감소

핵물질 감시의 기술적 장애물

핵발전소와 무기 시설에 보관된 핵물질의 종류와 양을 파악하는 표준 방법은 방사성 원소가 방출하는 감마선의 고유 패턴을 분석하는 것이다. 그런데 우라늄·플루토늄 같은 원소들은 감마선과 에너지 범위가 겹치는 X선을 동시에 방출해, 신호를 가리는 배경 잡음으로 작용한다. 이 X선 성분을 정확히 특성화하지 않으면 핵물질 정량 평가의 정밀도가 떨어진다.

전이모서리센서의 작동 원리

연구팀이 사용한 전이모서리센서(Transition Edge Sensor, TES)는 초전도체 상태와 일반 금속 상태의 경계 온도—절대 영도보다 수 분의 1 켈빈 위—로 냉각된 초전도 박막으로 구성된다. 이 상태에서 광자 한 개가 박막에 충돌하면 극소량의 열이 발생하고, 그 열이 박막 저항을 급격히 증가시킨다. 저항 변화의 크기는 광자 에너지에 정비례하므로, 센서는 광자 하나하나의 에너지를 고분해능으로 측정할 수 있다. 이번 연구에서 사용된 것은 약 250개의 TES 소자로 구성된 배열이다.

측정 성과와 동위원소 분석 응용

NIST 팀은 이 배열을 이용해 우라늄·플루토늄·넵투늄(우라늄 붕괴 산물)이 감마선과 에너지 범위가 겹치는 구간에서 방출하는 X선을 측정했다. X선 에너지 측정의 불확도는 기존 측정값 대비 3분의 1에서 8분의 1 수준으로 낮아졌다. 이렇게 정밀하게 특성화된 X선 정보를 활용하면 감마선 스펙트럼에서 X선 기여분을 효과적으로 제거하고, 핵물질의 동위원소 비율을 보다 정확히 산출할 수 있다. 예를 들어 우라늄-235는 자연 존재비가 약 0.7%에 불과하지만, 핵발전용 연료에는 수 퍼센트, 핵무기급 물질에는 90% 수준으로 농축돼야 한다. 이 비율 차이를 구별하는 정밀도가 핵비확산 감시에서 핵심이다.

실용화 현황과 기술적 한계

현재 NIST는 로스앨러모스 국립연구소와의 협력을 통해 미국 에너지부 산하 연구소 3곳에 TES 검출기를 설치·운영 중이다. SLAC, 아르곤 국립연구소의 Advanced Photon Source, 브룩헤이븐 국립연구소의 국립싱크로트론광원, 그리고 스위스 CERN 등 국제 시설에도 배치돼 있다. 그러나 TES는 절대 영도 근방으로 냉각하기 위한 냉동 장비가 필수여서 휴대용으로 사용하기 어렵다는 한계가 있다. 미국 기업 두 곳이 NIST 설계 기반의 소형 냉각 시스템을 상용화하고 있으며, NIST는 추가적인 소형화·비용 절감을 계속 추진 중이다. 현장에 TES가 없는 경우에는 시료를 채취해 별도 실험실로 보내는 방식으로도 분석이 가능하다.

향후 계획

연구팀은 검출기의 정밀도를 한층 높여 CERN과 공동으로 새로운 기본 입자 탐색에 활용하는 방향을 모색하고 있으며, NASA 고다드 우주비행센터에도 신규 검출기를 설치해 극한 우주 환경 연구에 기여할 계획이다. 이번 연구에는 NIST, 콜로라도대학교 볼더, 로스앨러모스 국립연구소, 하우튼대학교, 소르본대학교 카스틀러-브로셀 연구소 등이 참여했다.