고전류 사이클로트론을 활용한 99Mo·99mTc 국내 공급 강화

초록

본 논문은 IsoDAR 실험용으로 개발된 고전류 D⁺ 사이클로트론을 이용해 1.5 MeV/amu, 5 mA 연속 빔으로 베릴륨 표적에 충돌시 10¹³ n/s 수준의 중성자를 생산하고, 이를 저농축 우라늄(LEU) 표적과 결합한 열화학적 시스템으로 99Mo를 제조하는 방안을 제시한다. 설계·시뮬레이션 결과, 기존 원자로 기반 생산에 근접한 중성자 플럭스를 제공하면서 시설 규모·방사선 위험을 크게 감소시킬 수 있음을 보여준다.

상세 분석

이 연구는 기존 사이클로트론이 갖는 전류 한계(수백 µA)를 극복하기 위해 IsoDAR 프로젝트에서 개발된 HCHC‑XX 계열 고전류 사이클로트론을 의료용 동위원소 생산에 적용한다는 혁신적인 접근을 취한다. 주요 기술적 특징은 다음과 같다. 첫째, H⁺₂ 대신 D⁺를 가속함으로써 중성자 발생 효율을 크게 높인다. 베릴륨 표적에 1.5 MeV/amu D⁺가 충돌하면 (d,n) 반응을 통해 평균 2.8 × 10⁻⁴ n/입자를 생성하며, 5 mA 전류에서는 초당 약 9 × 10¹² n을 얻는다. 이는 기존 의료용 사이클로트론(≈10¹⁰ n/s) 대비 23 오더의 향상이다. 둘째, 사이클로트론 내부에 RFQ와 스파이럴 인플렉터를 결합한 전용 전자기 설계가 빔의 전처리와 고밀도 빔 유지에 기여한다. 특히 ‘버텍스 모션’ 현상을 의도적으로 활용해 고전류 빔의 공간 전하 효과를 억제하고, 추출 전까지 원형 빔 형태를 유지한다. 셋째, 베릴륨 표적을 얇은 타원형으로 설계해 입사 빔이 평균 50 µm 두께를 통과하도록 함으로써 열 부하와 방사성 활성화를 최소화한다. 네번째, 베릴륨에서 방출된 고에너지 중성자를 물 기반 열화학적 매질(우라늄 황산염 용액)과 결합시켜 즉시 열중성자를 저에너지 열중성자로 감속시킨다. 이렇게 하면 235U 핵분열에 최적화된 열중성자 스펙트럼을 얻어, 저농축 우라늄(LEU) 표적에서 효율적인 99Mo 생산이 가능해진다. 시뮬레이션 결과, 5 mA·1.5 MeV/amu 조건에서 연간 수천 Ci 수준의 99Mo를 생산할 수 있으며, 이는 현재 미국 내 99Mo 수요(≈10,000 Ci/년)의 1020 %에 해당한다. 또한, 저에너지 D⁺ 빔은 방사성 폐기물과 활성화 물질을 크게 감소시켜, 기존 원자로 기반 생산에 비해 안전·환경적 이점을 제공한다. 마지막으로, 장치 자체가 컴팩트하고 실내 설치가 가능하므로 병원 근처 혹은 대학 연구소에 직접 배치할 수 있어 물류 손실(66 h 반감기 손실)과 공급망 취약성을 크게 완화한다. 이러한 기술적 요소들은 고전류 사이클로트론을 의료용 동위원소 생산에 적용하는 데 필요한 핵심 과제들을 체계적으로 해결하고 있음을 보여준다.