□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 ◯ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 성능 평가 방법론 개선 - 기존 시험 방법론 한계점 분석 및 흡수재 열화거동 분석 선행연구 결과 분석을 통해 사용후핵연료 습식/건식 저장시설 내 흡수재 복합열화기구 모사가 가능한 개선방안 제시 ◯ 성능 평가 방법론 개선안 활용 중성자 흡수재 장기·고온 안전규제 기반자료 생산 - (사용후핵연료 습식저장조 환경) 중이온 가속기를 활용하여 중성자유도핵반응(¹⁰B(n, α)⁷Li)에 의한 흡수재 조사손상을 모사하고, 가속부식실험을 연속적으로 수행하여 복합 열화에 의한 장기 열화 거동 분석 수행 - (사용후핵연료 건식저장시설 환경) 건식 저장용기 내 복합열화 환경 (고온, 방사선, 잔존 수분 등) 하 흡수재 복합열화 모사를 위해 고온 조사실험 및 고온/습윤 부식실험 수행하여 고온 열화기구 규명 ◯ 국내 중성자 흡수재 평가 시험기반 마련 - (국내 가속기 시설 활용 조사손상 모사실험 수행방안 제시) 중성자유도핵반응에서 방출되는 고에너지 알파 입자와 리튬이온에 의한 조사손상 모사를 위해 KOMAC 등 국내 중이온 가속기 시설을 활용한 상온/고온 조사실험 방안 제시 - (중성자 흡수재 가속/고온 부식 모사실험 시설 구축) 조사손상 모사시편을 활용한 흡수재 장기·고온 부식열화 거동 모사를 위해 국내 사용후핵연료 습식 저장조 및 상용 건식 저장용기 내부 환경 모사가 가능한 가속/고온·습윤 부식루프 구축 - (표준물질(ZrB₂) 제작 및 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축) 조건별 (두께 및 ¹⁰B 면밀도) 표준물질 시편 제작 및 국내 열중성자 발생장치 활용 중성자 흡수능 데이터베이스 구축을 통한 국내 중성자 흡수재 흡수능 평가 시험기반 마련. ◼ 전체 내용 ○ 연구 필요성 - (사용후핵연료 건식 저장시설 건설 임박) 한국원자력환경공단(KORAD)에서 2023년 발표한 ‘방사성폐기물 관리시행계획’에 따라 사용후핵연료 저장용량 확보를 위해 20년 이내 건식 중간저장시설 확보를 계획하고 있으며 [1], 건식 저장용기 내 미임계 유지를 위해 필수적인 중성자 흡수재는 미국/일본 등에서 널리 사용 중인 Al-B₄C 기반 상용 중성자 흡수재가 도입될 것으로 추측됨. - (중성자 흡수재 국내 규제기반 미비) 국내 습식저장조 내에서 사용 중인 중성자 흡수재 설계수명은 흡수재 제조사 자체 실험결과에 근거하였으며, 안전관리는 원전 사업자 내부 지침에 의거하여 수행하고 있어 [2] 국내 규제기준이 미비한 실정임. 또한, 근시일내 건설 예정인 건식 저장시설 환경을 반영한 중성자 흡수재 고온·장기 안전관리 및 규제 방안의 선제적 설정을 위한 기반자료 마련이 시급한 상황임. - (열화 흡수재 시편 조기열화 현상 관측) 습식 저장환경 하열화 흡수재를 분석한 선행연구는 흡수재 주요 열화 요인으로 중성자유도핵반응 (¹⁰B(n, α)⁷Li)에 의한 흡수재 표면공극률이 증가와 그에 따른 표면 부식이 가속화 현상을 제시하였음 [3]. 또한, 흡수재 조사가속부식 등 복합열화기구에 의한 흡수재 표면 점부식 현상 및 표면 B₄C 입자 유실 등에 의한 흡수능 저하 등 흡수재 조기열화 현상을 보고하였음. - (국내 중성자 흡수재 안전규제 근거자료 부족) 본 연구는 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 조기열화 현상의 원인을 기존 시험 방법론의 한계로 상정하고, 기존 방법론을 활용하여 설정된 설계수명에 대한 재평가가 필요하다고 판단하였음. 또한, 전 세계적으로 제한적으로 수행된 건식 저장환경 하흡수재 열화 관련 연구로 인해 정확히 분석되지 않은 흡수재 고온 복합열화 기구를 규명하고자 함. ◯ 연구 동향 - (국내 사용후핵연료 저장처분 핵심기술개발 연구) 과기정통부/산업부/원안위에서 공동 주관하여 수행 중인 연구사업은, 사용후핵연료 저장처분 안전성 확보를 위해 계획되었지만, 최근 연구를 통해 밝혀진 중성자 흡수재 조기 열화 및 흡수능 저하 현상’을 반영한 저장·처분 시설 장기 건전성 저하 가능성이 고려되지 않음. - (건식 저장시설 내 Al-B₄C 흡수재 열화거동 분석 연구) 미국 미시간 대학교에서 상용 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 2종(BORAL/BORTEC)을 활용한 조사실험 및 고온 부식시험을 수행하여 B₄C 입자 유실 가능성을 제시하였으나 [4], 지나치게 보수적인 실험조건을 채택하여 건식 저장용기 내 흡수재 열화거동을 정확히 평가하였다고 보기 어려움. - (국내 건식저장 용기 및 중성자 흡수재 개발 현황) 한국원자력환경공단 (KORAD)이 주관하여 중간저장 용 금속 건식 저장용기를 개발하여 국내 인허가 획득을 목표로 연구를 수행 중임. 또한, 한국원자력연구원 (KAERI)에서 기존 Al-B₄C 기반 흡수재 한계점 보완을 위해 티타늄 기반 중성자 흡수재를 개발하였으나, 추가 실험 검증이 필요한 상황임. ◼ 1단계 ❏ 목표 ○ Al-B₄C 기반 흡수재 장기·고온 안전성 평가실험 방법론 개선안 제시 및 평가실험 기반 마련 ❏ 내용 ○ Al-B₄C 흡수재 열화시편 활용 장기 안전성 평가실험 설계 - 조사손상 모사 실험조건 설정 및 조사손상 모사 시편 생산 • 실험조건 설정: (조사손상도: 10 dpa) 열화 흡수재 미세구조 내 헬륨 버블 형상 분석을 통해 설계수명 내 최대 10 dpa가 누적될 것으로 판단하고 조사손상도 조건을 설정함. • 헬륨 이온 조사실험 수행: 중성자유도핵반응에서 방출된 고에너지 헬륨 입자 및 리튬이온에 의한 흡수재 조사손상 모사를 위해 중이온 가속기를 활용하여 상온 조건에서 160 keV 헬륨 이온 조사실험 수행. - 조사손상 모사시편 활용 가속 부식실험 조건 설정 및 수행 • 가속부식 실험조건 설정: 국내 가동원전 내 사용후핵연료 저장조 환경 (수화학 조건, 온도 등)을 모사하여 수화학 조건을 (붕소 및 리튬 농도 등) 설정. 또한, 최대 가속배수 활용이 가능한 온도 조건 (90 ℃)을 채택함. • 가속부식루프 설계 및 구축: 실험 장치는 예열기, 냉각수 탱크, 항온수조, 열교환기 및 펌프와 다수의 열전대로 구성하였으며, 주기적으로 실험수를 채취하여 화학 분석이 가능하도록 설계함. • 가속부식실험 수행: 습식저장조 내 중성자 흡수재 장착 환경을 모사하기 위해 실제 내부 구조물과 같은 재질인 스테인리스강으로 제작된 시편 홀더를 설계하고 내부에 시편을 장착하여 부식실험을 수행함. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 고온 복합열화 모사실험 설계 - 중성자 흡수재 고온 조사손상 모사실험 조건 설정 및 수행 • 실험조건 설정: (조사손상도: 0.01, 0.1, 1 dpa/ 온도: 상온, 150, 270, 400 ℃) 사용후핵연료 건식 저장시설 내 온도 및 중성자 선속 측정 결과를 기반으로 온도변화와 설계수명 내 조사손상도 누적량을 계산한 선행연구를 참고하여 온도 및 조사손상도 조건을 설정함. • 고온 중이온 조사실험 수행: 국내 중이온 가속기 시설 내 고온 이온 챔버를 활용하여 직접 제작한 전용 시편홀더에 시편을 장착하고 총 12가지 실험조건에서 고온 헬륨 이온 조사실험을 수행함. - 고온/습윤 가스부식실험 조건 설정 및 부식루프 설계 • 실험조건 설정: 온도는 조사손상 모사실험 온도와 동일하게 설정하고, 습도 조건은 사용후핵연료 집합체 건조 조건과 대표적인 저장 용기 내부 체적을 기준으로 계산하여 보수적인 값을 채택함. • 고온/습윤 가스부식루프 설계: 장치는 고온 조건에서 일정한 온도와 습도를 유지할 수 있도록 헬륨 질량조절기(MFC), 물 정량펌프, 기화기, 예열기, 반응 용기 등으로 구성하였으며, 내부 온도 및 습도를 실시간으로 측정하기 위해 다수의 열전대와 습도계를 장착함. ◼ 2단계 ❏ 목표 ○ 사용후핵연료 습식/건식 저장시설 내 Al-B₄C 기반 흡수재 열화 거동 분석 및 기구 규명을 통한 안전규제 기반자료 생산 ❏ 내용 ○ 열화 흡수재 시편 활용 습식저장조 내 장기 열화 거동 분석자료 생산 - 열화시편 활용 추가 조사손상 모사 및 가속 부식실험 수행 후 특성 변화 분석결과: • 중이온 조사 후 열화 흡수재 시편 산화층의 다공성 구조에 의해 헬륨 버블이 형성되지 않고 다량의 공극이 관측되었음. 또한, 가속부식실험 수행 후 전반적으로 다공성 형태의 Al 산화막이 관측되었으며, 일부의 흡수재 시편 표면에서 붕소 고착물로 추정되는 물질이 확인됨. 알루미늄 합금 기반재료 내 Al, Mg 산화 및 용출로 인해 국부적으로 수십~수백 μm 정도의 점부식이 다수 확인됨. - (분석결과 시사점) 부식 기간 증가에 따라 감소한 흡수재 무게 및 pit 깊이로 보아 흡수재 표면에서의 B₄C의 탈락 가능성이 확인되었음. 또한, 표면에서 다수 관측된 점부식으로 인한 국부적 중성자 흡수능 저하 현상에 대한 고려가 필요할 것으로 판단됨. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 고온 열화 기구 규명 - 고온 조사손상 모사 및 고온/습윤 가스부식 실험 수행 후 특성 변화 분석결과: • (고온 중이온 조사 후) 매우 낮은 조사손상도 조건 (0.01 dpa)부터 헬륨 버블이 형성되었으며, 조사 온도가 증가함에 따라 헬륨 버블 평균 크기가 증가하고 수밀도가 감소하는 경향성이 관측되었음. 또한, 고온 조건 및 미세구조 내 경계면 (탄화붕소 입자-기반재료 경계면 및 결정립계)에서 헬륨 버블이 더욱 응집하고 성장한 것을 확인하였음. • (조사손상 모사시편 활용 고온/습윤 가스 부식실험 수행 후) 고온 부식 후 헬륨 버블의 평균 크기가 증가하였으며, 특히 경계면에서 더욱 응집하여 성장한 것이 관측되었음. 또한, 고온/습윤 환경 하 흡수재 입계부식 거동이 확인되어 조사손상 누적으로 인한 탄화붕소 입자 주변 다공성 구조에 의해 부식층 성장이 가속화될 가능성을 확인하였음. - (분석결과 시사점) 사용후핵연료 건식저장 초기부터 흡수재 기반재료 내 헬륨 버블 누적 및 성장이 시작될 수 있으며, 조사손상이 흡수재 부식을 가속화하고, 흡수재 부식에서 생성된 수소 기체가 헬륨 버블을 성장시키는 등 복합열화에 의한 흡수재 조기열화 가능성이 고려되어야 함. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 시험 방법론 개선안 검증 - (고온 조사손상 모사시험 필요성 확인) 상온 조사실험 수행 후 열처리를 수행한 선행연구 결과와 비교분석을 통해 뚜렷한 조사손상 거동 차이가 확인되어 고온 조사실험(in-situ high T. irradition) 필요성이 확인되었음. - (시험 방법론 개선안 활용 복합열화기구 모사 가능성 확인) 고온/습윤 부식시험 수행 후 성장한 버블 내에서 알루미늄 부식 반응에서 생성된 수소 기체가 발견되는 등 기존 방법론에서 발견되지 않았던 복합열화 거동이 관측되어 개선안 활용 복합열화기구 모사 타당성이 검증되었음. ❏ 목표 ○ 국내 중성자 흡수재 성능 평가 실험기반 마련 ❏ 내용 ○ 표준물질 제작 및 중성자 흡수능 데이터베이스 구축 - (붕소 (¹⁰B) 면밀도별 표준물질 시편 제작 및 가공) 표준물질(ZrB₂) chunk 제작의뢰 및 구매 후 방전가공(EDM: Electrical Discharge Machining) 공정을 활용하여 시편 절단 및 붕소 면밀도별 시편 생산 - (조건별 표준물질 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축) KRISS 열중성자 발생장치를 활용하여 열중성자 투과시험을 수행하였으며, 흡수재 시편 두께에 따른 열중성자 흡수능 변화를 고려하여 표준물질 시편에 알루미늄판을 덧대어 두께별 열중성자 흡수능 측정 결과를 도출하였음. □ 연구개발성과 ○ 정성적 성과 - 사용후핵연료 저장시설 내 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 성능 평가 시험 방법론 개선방안 제시 및 검증 - 국내 입자 가속기 활용 중성자 흡수재 조사손상 모사실험 방안 제시 및 검증 - 사용후핵연료 습식저장조 내 중성자 흡수재 장기 열화 거동 데이터베이스 구축 - 사용후핵연료 건식저장 용기 내 중성자 흡수재 고온 열화 기구 규명 - 국내 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 평가 실험기반 마련 ○ 정량적 성과 - 사용후핵연료 습식 저장조 환경 반영 가속 부식루프 구축 - 사용후핵연료 건식 저장시설 환경 반영 고온 부식루프 구축 - 붕소 함유량별 표준물질 시편 제작 및 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축 - 안전기술보고서 (N-STAR): 8편 - SCI 논문: 3편 - 국내·외 학회 논문 발표: 7건 - 원자력 공학박사 배출: 2명 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ◯ 국내 사용후핵연료 중간저장시설 특성을 고려한 중성자 흡수재 장기 안전성 평가 기준 제시 - 사용후핵연료 습식저장조 내 흡수재 장기 안전관리 및 규제 근거자료로 활용 - 사용후핵연료 건식저장시설 내 흡수재 안전관리 및 규제 근거자료로 활용 ◯ 가동 원전 경년열화관리계획 평가 세부사항 항목에 새롭게 추가된 중성자 흡수재 감시를 위한 평가 시 참고 및 기준자료로 활용 - ¹⁰B 면밀도 및 흡수재 두께별 열중성자 흡수능 데이터베이스 활용 중성자 흡수능정기 평가 수행 ◯ 국내 사용후핵연료 저장시설 확대로 인한 추가 중성자 흡수재 도입 및 중성자 흡수재 국산화 연구수행 시, 흡수재 평가 시험 실험기반으로 활용 ◯ 본 연구실에서 개발된 ‘사용후핵연료 저장조 장기 안전관리용 전산모사 코드’비교·검증자료로 활용 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 안상준
• 주관연구기관 : 울산과학기술원
• 발행년도 : 20250100
• Keyword : 1. 사용후핵연료 저장시설;중성자 흡수재;중성자 흡수능;조사가속부식;장기 안전성; 2. Storage of spent nuclear fuel;Neutron absorber;Neutron absorbing performance;Irradiation-accelerated corrosion;Long-term safety;

□ 연구개요 수막종은 성인에서 가장 흔한 원발성 뇌종양이며 세계 보건기구 조직 병리학 적 기준 (WHO 1 등급) 에의해 대부분 양성으로 간주됩니다. 현재 의료 영상은 수막종을 포함한 CNS 종양의 감별 진단 및 치료 계획에서 근본적인 역할을 합니다. 작고 안정적이며 양성인 수막종으로 판단되면 긴 추적 기간 동안 관찰되는 대기 및 관찰 방법이 이상적이며 비용을 절약 할 수 있는 옵션이 될 수 있습니다. 반면, 크기가 작더라도 성장 속도가 빠르거나 유전형 검사에서 악성 종양이 의심되는 경우 조기 수술 절제를 적극 권장합니다. 수술의 대안으로 방사선 요법이 수막종의 1차 치료로 수행되기도 합니다. 방사선 요법은 종양이 시신경 수막종과 같은 중요한 신경이나 혈관에 너무 가까워서 일부 절제 할 수 없는 경우, 환자의 수술에 대한 걱정, 혹은 환자의 열악한 건강 상태에 대한 우려로 인해 수술을 받을 수 없는 경우에 종종 시행됩니다. 또한 수막종이 불완전하게 제거되었거나, 높은 등급 및 재발성 종양의 경우, 방사선 요법은 대부분 남아있는 종양 세포를 파괴하고 성장이 재발하는 것을 방지하기 위한 보조 요법으로 수행됩니다. 종양의 영상 특성은 정량적 및 정성적 측정을 사용하여 설명할 수 있습니다. 새롭게 떠오르는 분야 인 Radiomics는 고차원 이미지 정보를 여러 계산 알고리즘을 통해 풍부한 수학적 데이터로 변환합니다. Radiomics는 활발한 임상 사례에 대해서 자동적이며, 재현이 가능하고 및 오류가 없는 평가를 촉진하는 영상 지도를 만들기 위해 대규모 이미징 기능을 활용하는 데 초점을 맞춘 새로운 정량 이미징 분야입니다. 상대적으로 제한된 인간의 시각적 관찰에서 주관적이고 정성적인 해석보다는 영상 데이터를 해석하는 객관적이고 정량적 인 접근 방식을 제공합니다. 이에 비해 영상학적 특징은 영상의학과 전문의가 시각적으로 평가하는 종양 특성 (예: 신호 강도, 뼈 침습, 괴사)입니다. 실제로 영상 분석을 통해 생성되는 엄청난 양의 정보는 시각적으로 인식 할 수 없는 조직 병리학 적 종양 정보에 대한 영상학적 정보를 제공하며 진단, 치료 및 예후에 적용할 수는 기술적 기반을 제공합니다. 우리가 아는 한, 영상 또는 조직 특성 분석을 기반으로 뇌수막종에서 방사선 치료 후 변화를 평가한 연구는 지금까지 보고 된 바가 없습니다. 우리는 일반적인 조영 증강 MRI를 기반으로 방사선 치료 후 수막종의 영상학적 정보 및 영상 특성 변화를 조사하려고 합니다. □ 연구 목표대비 연구결과 관찰군과 방사선 치료군 두 그룹 사이의 수막종의 최대 면적과 직경의 방사선학적 차이는 통계적으로 유의했습니다. 방사선 치료군에서 종양이 감소했습니다. 훈련 세트에서 총 241개의 시리즈와 1691개의 라디오믹스 특징이 추출되었습니다. 단변량 분석에서 24개의 라디오믹스 특징이 두 그룹 간에 유의하게 달랐습니다(P<0.05). 최상의 하위 집합(subset)은 AUC가 0.87인 original-based feature 1개, fisr-order based feature 3개 및 wavelet based features 6개로 다변량 분석에서 유의미한 차이(P < 0.05)를 나타냅니다. 모델을 적용했을 때 AUC는 training set과 validation set에 대해 각각 0.76과 0.79였습니다. 수막종의 경우 방사선 치료 후 더 나은 크기 감소를 기대할 수 있다. MRI를 이용한 라디오믹스 모델은 방사선 치료 후 radiomic features에 상당한 변화를 보였습니다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 기대효과 수막종에 대한 방사선 치료는 양성 수막종 (WHO grade 1)에 대한 크기억제에 효과가 있으나 anaplasticor malignant meningioma에 대해서는 크기 억제에 대한 효과는 크지 않을 확률이 놓으며 방사선 치료의 전후의 영상정보 특성은 wavelet-LLH, original shape, wavelet-LHL등의 변화 및 방사선학적 특징 변화는 대체로 크기 감소 및 조영 증강의 감소 등으로 예상됩니다. 2) 활용방안 방사선 치료 후 유의미한 차이를 보이는 방서선 정보 (Radiomics) 와 영상의학적 특징 (Radiologic appearance)을 확인함으로써 수막종의 치료효과를 예측하는 biomarker을 찾고자 합니다. 이 biomarker가 필요한 이유는 수막종의 치료전후의 조직검사가 용이하지 않기 때문이다. 추후에 biopsy결과가 있는 것과 방서선 정보(Radiomics) 와 영상의학적 특징을 비교하는 추가 연구가 필요할 것으로 사료됩니다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김은수
• 주관연구기관 : 한림대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 라디오믹스;수막종;방사선치료;영상의학;자기공명영상; 2. Radiomics;Meningioma;Radiation therapy;Radiology;MRI;

□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 자기 거울 플라즈마 기반 중성자 발생 장치 개발에 요구되는 자기 거울 플라즈마 성능 개선을 위해 필요한 자기 거울 플라즈마에 대한 물리적 이해 증진 ◼ 전체 내용 본 연구개발과제는 크게 두 가지 큰 역무로 나누어 진행되었음. 첫 번째 역무는 자기 거울 플라즈마 물리 연구를 위한 실험적 기반을 다지는 것으로, 소스 플라즈마 파워 시스템 개선, 밀도 측정을 위한 간섭계 개발, 분광계 데이터 해석을 위한 충돌 방사 모델 개발, 불안정성 구조 분석을 위한 자기 탐침 어레이 개발 연구를 수행함. 두 번째 역무는 자기 거울 플라즈마 이해 증진을 위한 실험 연구를 수행하는 것으로, 자기 거울 플라즈마 성능에 불안정성이 미치는 영향 분석, 소스 플라즈마 파워, 자기장 크기 및 구조와 같은 여러 실험 조건이 자기 거울 플라즈마 성능에 미치는 영향 관찰, Expander 조건 변화가 플라즈마 성능에 미치는 영향 연구를 수행함. □ 연구개발성과 본 연구개발과제의 연구 성과는 크게 두가지로 나눌 수 있음. 첫째는 자기 거울 플라즈마 물리 연구를 위한 실험적 기반을 확보한 것이고, 둘째는 자기 거울 플라즈마 물리 이해를 증진하기 위한 물리 실험을 수행하여 플라즈마 성능 변화 요인과 플라즈마 성능 제어 방안을 모색한 것임. 자기 거울 플라즈마 물리 연구 수행을 위하여, 소스 플라즈마 파워 시스템을 물리 연구에 적합하도록 개선하였으며, 반도체 기반 플라즈마 가열 시스템을 구축하여 향후 플라즈마 성능 향상을 위한 실험 환경을 마련하였음. 이와 더불어, 간섭계를 개발하여 선적분 밀도를 측정하였으며, 분광계 데이터 분석을 위한 충돌 방사 모델을 개발하여 전자 온도 및 밀도를 추정 후 타진단과의 비교를 통해 모델 개발 방향의 타당성을 확인할 수 있었음. 추가로, 자기 탐침 어레이를 개발하여 플라즈마 내 존재하는 불안정성의 방사 방향 구조를 성공적으로 추정하였음. 이와 같은 연구 성과들을 통하여 자기 거울 플라즈마 물리 연구를 할 수 있는 실험 시스템을 구축하였음. 구축한 실힘 시스템을 바탕으로 자기 거울 플라즈마 물리 실험을 수행하였음. 기존 실험을 통해 파악한 플라즈마 성능 제어 파라미터들인 소스 플라즈마 파워, 자기 거울비 변화에 따른 플라즈마 성능과 플라즈마 내 불안정성 변화를 본 과제를 통하여 개발한 진단 장치 및 기술을 활용하여 측정하였고, 플라즈마 성능과 불안정성 크기 사이의 연관 관계에 대하여 분석함으로써 플라즈마 성능 변화 요인에 대해 추정할 수 있었음. 또한, expander의 collector 위치를 조정하여 플라즈마 중심의 성능이 변화할 수 있음을 관찰하였고, 본 결과를 통해, collector 위치와 같은 expander 환경을 조정하여 자기 거울 플라즈마 성능을 제어할 수 있는 가능성을 확인하였음. 본 연구를 진행함에 있어, Khalifa 대학의 Kourakis 연구팀에 연구 결과를 공유하고, 같이 논의하여, Kourakis 연구팀과 향후 공동 연구를 추진할 수 있는 기반을 마련하였음. □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 본 연구개발성과를 통해 플라즈마 물리 연구에 적합한 자기 거울 플라즈마 실험 시스템을 구축하고 자기 거울 플라즈마에 대한 이해를 증진할 수 있어, 자기 거울 플라즈마 성능 향상을 위한 실험 기술 확보에 활용될 수 있을 것이며, 향후 자기 거울 플라즈마 성능을 향상시켜, 자기 거울 플라즈마 기반 중성자 발생 장치 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대됨 또한 본 과제를 통해 도출된 자기 거울 플라즈마 물리 연구 성과는 중성자 발생 장치뿐 아니라 핵융합 플라즈마 물리 연구, 반도체 제조 공정, 우주 플라즈마 물리를 포함한 기초 플라즈마 물리 연구 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 보임. 이와 더불어, 본 과제는 Khalifa 대학의 Kourakis 교수팀과의 공동 연구를 통해 수행되었으며, 본 과제 성과는 향후 Kourakis 교수님팀과의 장기간 공동 연구 진행을 위한 초석이 될 것으로 기대됨 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 성충기
• 주관연구기관 : 한국과학기술원
• 발행년도 : 20240100
• Keyword : 1. 자기 거울 플라즈마;중성자 발생 장치;플라즈마 불안정성;플라즈마 진단;전자 번스타인 파동 가열; 2. Mangetic mirror plasma;Neutron source;Plasma instabilities;Plasma diagnostics;EBW heating;

□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 세로토닌-N-아세틸전이효소 (SNAT)는 멜라토닌 생합성의 직전 단계(penultimate) 효소로 멜라토닌 생합성의 rate-limiting enzyme으로 작용한다. 벼에서 SNAT 유전자는 두 개의 isogene으로 존재하지만, 벼 SNAT isogene의 분화 기원 연구는 전혀 없는 상태이다. 벼 SNAT 유전자의 phylogenetic tree 분석을 수행한 결과, 벼 SNAT ortholog 유전자가 동·식물 세포의 공통 기원세포로 알려진 단세포 녹조류인 Chlamydomonas의 genome에 존재하였고, 동시에 동물 SNAT ortholog 유전자가 존재하는 것으로 나타났다. 또한, 다세포식물의 기원 종으로 알려진 Gonium sp. genome에는 벼 SNAT homolog 유전자 SNAT1과 SNAT2 유전자만 존재하는 것으로 나타났다. 따라서 벼 SNAT isogene 유전자의 분화가 단세포에서 다세포로 분화되는 시점에서 분화된 것임을 추정할 수 있었으나, 이 가능성은 이들 SNAT 유전자들의 기능이 검증되지 않는 상태에서는 단정할 수 없는 상태이다. 본 연구는 Chlamydomonas에 존재하는 동물 SNAT homolog, 식물 SNAT homolog, 및 Gonium sp. 에 존재하는 두 종의 벼 SNAT 유전자를 in vitro에서 발현시켜 SNAT 효소 특성을 분석하고, 벼에 형질전환하여, 형질전환 벼에서 멜라토닌 생합성 능력과 생리생태적 특성을 검정하여 벼 SNAT1 & SNAT2 유전자의 기능과 비교 분석하려고 함으로서, 식물에서 멜라토닌 생합성 SNAT 유전자의 추가적인 isogene 획득 및 분화기원 경로를 규명하고자 한다. ◼ 전체 내용 1) Chamydomonas와 Gonium sp.로부터 다양한 벼 SNAT ortholog 유전자 클로닝 및 효소특성 분석 -단세포 녹조류 Chlamydomonas로부터 plant SNAT 유전자(CrSNAT2)와 animal SNAT 유전자(CrAANAT) 클로닝, 대장균 발현 및 정제 & SNAT 효소 기질특이성 분석 -다세포 녹조류 Gonium sp.로부터 SNAT1 유전자 (GpSNAT1)와 SNAT2 유전자 (GpSNAT2) 클로닝, 대장균 발현 및 정제 & SNAT 효소 기질특이성 분석 2) 다양한 벼 SNAT ortholog 유전자 발현 형질전환 벼 육성 -CrSNAT2, CrAANAT, SNAT1, GpSNAT2 바이너리벡터 클로닝 및 벼 형질전환 -CrSNAT2, CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 발현 T₁ 형질전환 벼 육성 및 유전자 발현 확인 -T₁ 및 T₂ 형질전환 벼에서 transgene copy 분석 및 유묘 특성 분석 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 발현 T₂ 형질전환 벼 screening 및 유전자 발현 확인 3) SNAT ortholog 유전자 발현과 멜라토닌 생합성 연계성 규명 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 단백질의 세포 내 위치 분석을 위한 confocal analysis -SNAT ortholog 단백질의 과다발현 형질전환 벼에서 SNAT 효소의 멜라토닌 합성 능력 확인 -4종의 T₂ 형질전환 벼에서 멜라토닌 전구체 HPLC 분석 (트립토판, 트립타민, 세로토닌, 아세틸세로토닌, 및 멜라토닌) -4종의 T₂ 형질전환벼에서 멜라토닌 대사체 분석 (2-hydroxymelatonin, 3-hydroxymelatonin, AFMK, 및 AMK) 4) 4종의 SNAT 발현 T₂ 형질전환 벼의 스트레스 저항성 분석 및 수량 특성 등 생리·생태적 특성 연구 및 유전자 기능 규명 ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 벼 SNAT1 유전자의 phylogenetic tree 분석을 수행한 결과, 벼 SNAT1 ortholog 유전자가 동·식물 세포의 공통 기원세포로 알려진 단세포 녹조류인 Chlamydomonas의 genome에 존재하고 동시에 동물 SNAT ortholog 유전자가 존재하는 것으로 나타났다. Chlamydomonas 와는 다르게 다세포식물의 기원 종으로 알려진 Gonium sp. genome에는 벼 SNAT homolog 유전자 SNAT1과 SNAT2 유전자가 존재하는 것으로 나타났다. 본 연구는 Chlamydomonas에 존재하는 동물 SNAT homolog 유전자, 벼(식물) SNAT homolog 유전자, 및 Gonium sp. 에 존재하는 두종의 벼 SNAT isogene 유전자를 클로닝 하여, 대장균에 발현하고, 정제하여 SNAT 효소 특성을 비교 분석하며, 벼에 형질전환하여, 형질전환 벼에서 멜라토닌 생합성 능력 검증하여 cyanobacteria에서 녹조류(단세포에서 다세포로)로 진화하는 과정에서 멜라토닌 생합성 SNAT유전자의 추가적인 isogene 획득 및 분화기원 경로를 규명하고자 한다. ❏ 연구 내용 1) Chamydomonas와 Gonium sp.로부터 다양한 벼 SNAT ortholog 유전자 클로닝 및 효소 특성 분석 -단세포 녹조류 Chlamydomonas로부터 plant SNAT 유전자 (CrNAT2)와 animal SNAT 유전자 (animal CrAANAT) 클로닝, 대장균 발현 및 정제 및 SNAT 효소 기질특이성 분석 -다세포 녹조류 Gonium sp.로부터 SNAT1 유전자 (GpSNAT1)과 SNAT2 유전자 (GpSNAT2) 클로닝, 대장균 발현 및 정제 및 SNAT 효소 기질특이성 분석 2) 다양한 벼 SNAT ortholog 유전자 발현 형질전환 벼 육성 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, GpSNAT2 바이너리벡터 클로닝 및 벼 형질전환 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 단백질의 세포내 위치 분석을 위한 confocal analysis -T₁ 형질전환 벼에서 transgene copy 분석 및 유묘 특성 분석 -T₂ 형질전환 벼에서 homozygous 분석 및 유묘 특성 분석 -Plant CrSNAT2, animal CrAANAT, GpSNAT1, 및 GpSNAT2 발현 T2 형질전환 벼 screening 및 유전자 발현 확인 3) SNAT ortholog 유전자 발현과 멜라토닌 생합성 연계성 규명 -SNAT ortholog 단백질의 과다발현 형질전환 벼에서 SNAT 효소의 멜라토닌합성 능력 확인 -T₂ 형질전환 벼에서 멜라토닌 전구체 HPLC 분석(트립토판, 트립타민, 세로토닌, 아세틸세로토닌, 및 멜라토닌) -T₂ 형질전환 벼에서 멜라토닌 대사체 분석 (2-하이드록시멜라토닌, 3-하이드록시멜라토닌, AFMK, 및 AMK) ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 멜라토닌을 합성에 관여하는 SNAT는 분화과정을 거치는 과정에서 매우 잘 보존되어 있으며 멜라토닌합성에 매우 중요한 효소이다. 식물에서 멜라토닌은 생물적, 비생물적 스트레스에 대한 방어기작에 관여할 뿐만 아니라 뿌리 생장, 개화, 2차 대사산물에 관여하는 것으로 알려져 있다. 벼에서 SNAT1과 SNAT2 유전자는 모두 멜라토닌 합성능력을 가지고 있지만 두 유전자의 기능은 공통 표현형인 성장억제를 제외하면 유전자의 발현 시기, 발현 위치, 스트레스에 대한 반응성, 호르몬 연관성 등에서 차이를 보여주고 있다. 2단계 연구는 1단계에서 확보한 4종 SNAT 발현 형질전환 벼의 내재 멜라토닌 증가로 인한 스트레스 반응성 검정 및 생리·생태적 특징을 비교하고 동시에 전사체분석을 이용하여 4종의 SNAT 유전자 과발현에 의한 유전자군의 변화를 확인하여, 기존에 보고된 SNAT 과발현 식물의 전사체분석 결과와 비교 분석하여 4종 SNAT 유전자들의 분화와 진화 관계를 규명하고자 한다. ❏ 연구 내용 -CrAANAT 및 CrSNAT2 과발현 형질전환 벼의 스트레스 저항성 검정 및 생리·생태적 특성 검정 -CrAANAT 및 CrSNAT2 과발현 형질전환 벼 radical scavenging activity 분석 -CrAANAT 및 CrSNAT2 과발현 형질전환 벼의 전사체분석과 그 결과를 활용한 멜라토닌 신호전달 후보 유전자 발굴 및 멜라토닌 반응성 연관성 조사 -스트레스 조건에서 SNAT 유전자의 발현 및 단백질 조절기작 조사 -GpSNAT1 및 GpSNAT2 과발현 형질전환 벼의 스트레스 저항성 검정 및 생리·생태적 특성 검정 -GpSNAT1 및 GpSNAT2 과발현 형질전환 벼의 radical scavenging activity 분석 -GpSNAT 과발현 형질전환 벼의 전사체분석과 그 결과를 활용한 멜라토닌 신호전달 후보유전자 발굴 및 멜라토닌 반응 연관성 조사 □ 연구성과 - Chlamydomonas의 SNAT ortholog 유전자 (CrSNAT2, CrAANAT) 및 Gonium sp.의 SNAT 유전자 (GpSNAT1, GpSNAT2)의 효소기질특이성을 분석한 결과 기질인 세로토닌에 대한 Km은 CrSNAT2, CrAANAT alc GpSNAT1 각각 358 μM, 247 μM, 442μM이고, Vmax는 185 pmol/min mg protein, 325 pmol/min mg protein, 937 pmol/min mg protein GpSNAT2는 효소활성이 매우 낮아 측정이 불가하였음. -단세포 및 다세포 녹조류 SNAT ortholog 유전자 발현 형질전환 벼 육성 -CrAANAT 및 CrSNAT2 단백질이 세포질 내에 localization 됨을 확인 -기질인 5- methoxytrptamine (5-MT)을 처리하여 멜라토닌 합성능력을 확인한 결과 CrAANAT, CrSNAT2, GpSNAT1 과다발현 형질전환 벼에서 각각 39.8%, 19.1%, 12.5 % 멜라토닌 양이 증가하는 것을 확인 -CrAANAT 과다발현 형질전환 벼의 종자크기가 증가된 것을 확인함 □ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과 식물에서 멜라토닌 생합성의 핵심유전자인 벼 SNAT 유전자는 cyanobacteria에서 발견되며, 이후 내공생과정 (endosymbiosis)을 통해 홍조류의 엽록체 genome에 존재하다가, 단세포 녹조류에서 nuclear genome에 안착된 것으로 보이고, 이후 분화과정 중에 최소 2종류의 SNAT isogenes을 획득한 것으로 추측된다. 단세포녹조류 Chlamydomonas, 다세포녹조류 Gonium sp.에서 발견되는 SNAT 유전자 연구는 SNAT 유전자의 기원과 분화과정 「Cyanobacteria → Red algae → Chlamydomonas → Gonium sp. → plants」 evolution에 대한 결정적인 유전적인 정보를 제공하게 될 것이며, 연구과정 중 육성된 고멜라토닌 함량 생산 벼를 육성하여 스트레스 저항성 작물 개발의 자원으로 활용될 것으로 기대한다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 황옥진
• 주관연구기관 : 전남대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 멜라토닌 분화;세로토닌아세 틸전이효소;클라미도모나스;고니움;형질전환 벼; 2. melatonin evolution;serotonin N-acetyltran sferase;Chlamydomonas;Gonium;transgenicrice;

□ 연구개요 MR영상 유도 방사선치료에서 소리신호를 기반으로 하는 호흡지도 시스템을 개발하여 실시간 gating 치료의 효율을 극대화하고자 함 □ 연구 목표대비 연구결과 연구목표는 실시간 MR영상으로부터 추출된 목표체적과 실시간 체적과의 불일치도 추출, 추출된 불일치도를 소리신호로 변환, 변환된 소리신호를 전달하는 시스템의 개발로 세분화 되어 진행하였으며, 3 가지 각 시스템을 개발 완료하고 이 시스템들을 서로 연결할 수 있도록 영상 전환 및 입력 시스템 등 서브시스템을 추가로 개발하였고, 여러 가지 소리신호 중 환자가 가장 효율적으로 인식할 수 있는 구조로 소리신호를 구성하여 개발 후 통합된 단일시스템이 잘 작동하는 것을 모의 환자로 시연하는 등 계획된 과제 내용 및 연구 목표를 달성하였음 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 개발된 시스템의 원활한 실증을 위해서 지연시간 단축, 신호전달체계 안정성 확보를 위한 추가 연구가 필요하며 상용화를 위해서는 보다 단순한 구성으로 변경개발 필요 있음. 기술이전을 목표로 기대했던 MR영상유도 방사선치료장치의 제조사가 파산함으로서 상용화 기대가 매우 낮기는 하지만 기술의 응용을 위한 방법을 지속 모색할 예정 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 황의중
• 주관연구기관 : 충남대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선치료;영상유도 방사선치료;호흡연동;실시간 호흡지도;소리신호; 2. Radiation Therapy;Image Guided Radiation Therapy;Respiratory Gating;Realtime Respiratory Coaching;Sound Signal;

□ 연구개요 식물면역 단백질인 NPR1은 전사공활성인자로 많이 연구되었지만 우리 연구진은 NPR1이 엽록체에도 존재함을 밝힘으로써 dual localization (핵, 엽록체), dual role(전사인자, redox에 따른 역행신호분자)의 단백질임을 증명하였다. 엽록체에 oligomer 형태로 유입되어 다량으로 존재하다가 스트레스 등 외부 환경변화와 Circadian Rhythm에 따른 redox 변화에 따라 엽록체에서 나와서 세포질을 경유한 후 Importin 복합체를 형성하여 핵공을 통해 핵으로 유입됨을 확인하였다. 이로써 NPR1이 실제 엽록체에서 핵으로 이동하는 역행신호단백질임을 증명하였다. □ 연구 목표대비 연구결과 ■ 연구 목표: NPR1의 역행신호분자 작용, 한 개의 단백질이 다른 위치, 다른 기능 o 고염분 스트레스에서 NPR1은 엽록체에 축적되며 chaperone과 antioxidant로서 작용하여 protein homeostasis를 유지함으로써 광합성능을 제고하고 스트레스 저항성을 높여주는데 엽록체에서의 NPR1의 이러한 기능은 핵에서의 전사활성인자 외에 새로운 분자적, 생리적 기능이 확인된 것임 o RbcL의 chloroplast transit peptide (cTP) 유전자 절편을 NPR1의 5’에 결합하여 제조한 엽록체 표적 NPR1-GFP 단백질 (p35S::cTP-NPR1-GFP)이 엽록체에서 다량의 oligomer로 존재하였지만 고염분 스트레스 이후 핵에서 monomer로 확인됨 o pNPR1::NPR1-GFP의 형질전환식물체를 이용하여 핵 NPR1의 존재가 Circadian Rhythm 양상을 나타내었으며 NPR1에 의해 조절되는 PR 전사체가 유도됨 o 엽록체에서 cTP를 제거하는 stromal processing peptidase의 돌연변이체 애기장대(spp)에 vaccum filtration된 cTP-NPR1-GFP에서는 고염분 스트레스 처리에서도 핵NPR1이 존재하지 않았는데 이는 스트로마에서 cTP가 제거되지 않았기 때문에 핵으로의 이동도 일어나지 않은 것임 ➔ NPR1은 엽록체에서 핵으로 이동하는 역행신호분자, dual localization, dual role o 엽록체→핵으로의 역행이동은 암상태에서 더 뚜렷하게 나타나며, 빛에 노출되면 엽록체 NPR1과 핵 NPR1의 반감기가 짧아지며, 단백질 분해는 proteasome에 의해 이루어지므로 NPR1의 light-induced proteasome degradation을 나타내었음 o 기능유전체 분석을 위해 NPR1의 역행이동이 활발한 시기와 역행이동이 일어나지 않는 시기를 구별하여 RNA-sequence를 수행한 결과 Nuclear Localization Signal (NLS)에 결합하여 표적 단백질의 핵 유입에 관여하는 Importin factors를 구성하는 단백질의 전사체인 Importin a-1b, Importin B, Nuclear Transport Factor, Ran-Binding Protein 7을 확인하였음, 역행이동단백질의 새로운 핵유입기작 제시 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) o NPR1은 스트레스 및 병저항성을 유도하는 역행신호전달인자이며, 엽록체에서는 항산화기능을 갖는 단백질로서, 세포내 위치 및 형태에 따라 서로 다른 기능을 확인 ➔ 특정 단백질이 세포내에서 두 개 이상의 서로 다른 위치에 존재함으로써 세포가 환경변화에 효율적으로 대응하고 세포내 다양한 과정을 조절할 수 있는 중요한 조절기작임을 확인하여 단백질 기능의 새로운 기초 이론 창출에 기여 o 병원균 감염에 의해 SA의 증가로 인해 환원적 상태가 되면 NPR1의 oligomeric 형태에서 이황화다리가 깨어져 monomer로 전환되어 핵으로 유입된다는 이론 ➔ 엽록체에서 세포의 분자적 조절을 위해 세포질로 이동 후 Importin factor가 NPR1의 NLS에 부착, 핵공을 통해 핵안으로 유입 ➔ 신호단백질의 새로운 핵유입기작 이론 제공 o 엽록체 역행신호단백질의 실질적 이동을 증명 ➔ Abiotic/Biotic 스트레스 저항성 유도에 활용하여 저항성 작물 선발 및 작물 제작, 엽록체 광합성능 제고에 활용 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 박기영
• 주관연구기관 : 순천대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 역행신호전달;엽록체;활성산소;스트로마 프로세싱 분해효소; 2. Retrograde signaling;NPR1;chloroplast;reactive oxygen species;Stromal Processing Peptidase;

□ 연구개요 본 과제의 궁극적 연구목표는 “국내 핵폐기물 처리방향 제시”이다. 원자력 발전을 하고 나면 그 부산물로서 방사성 폐기물이 필연적으로 발생된다. 고준위 폐기물에는 수명 핵종이 다량 포함되어 있기 때문에, 그 방사능의 잠재 위해도가 자연 수준으로 감소하기까지 수 만년이 걸리며 수백년동안 높은 방사선과 붕괴열을 방출하는 특성을 갖고 있다. 본 과제는 국내 핵폐기물 처리방향 제시를 목표로한다. □ 연구 목표대비 연구결과 가속기 구동 핵변환 시스템에서 고밀도 양성자 발생장치가 많은 비중을 차지하는데 보통 양성자 에너지는 1 GeV 정도가 필요하고 그 출력은 최소 10 MW가 필요하다. 이 부분의 한 후보로 상세 사이클로트론 설계를 한다. 그림 1에서 보듯이 현재 존재하는 가장 고밀도 양성자 발생장치는 사이클로트론이며 향후 10 MW 급 사이클로트론도 스위스 PSI에서 개발예정이다. 본 과제에서는 핵심 부분으로 실제 운전에 사용될 수 있는 상세 사이클로트론 설계를 하였다. 운영 중이거나 건설예정인 국내 가속기를 활용할 수 있는 방안에 대한 조사를 하는 것이다. 국내에는 거대 규모의 가속기가 이미 운영 중이거나 (경주 양성자 가속기) 건설 예정중인데 (대전 중이온 가속기) 새로 가속기를 건설하는 것이 아니라 기존의 가속기를 바로 활용 할 수 있도록 안을 제시하는 것이다. 참고로 현재 개념설계가 완료된 한국형 중이온 가속기는 가장 가벼운 양성자에서 무거운 우라늄까지 가속기 가능하도록 제안되고 있다. 조사결과 두 시설은 각 기관의 고유사업에 집중적으로 운영이 되어야 하는 상황으로 핵변환 시스템 연구에는 적합하지 않다는 결론을 내렸다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) * 에너지 측면에서의 중요성 원자력 발전을 하고 나면 그 부산물로써 방사성 폐기물이 필연적으로 발생되는데 이중 고준위 폐기물에는 장수명 핵종이 다량 포함되어 있기 때문에 그 방사능의 잠재 위해도가 자연수준으로 감소하기까지 수십만년이 걸리며 수백년동안 높은 방사선과 붕괴열을 방출한다. 세계적으로 이에 대한 해법을 찾는데 많은 지원을 하고 있는데 우리 나라에서는 아직 이에 대한 연구가 진행되고 있지 않다. 따라서 본 연구과제를 통해 가속기 구동 핵변환 시스템의 원천 기술 개발에 대한 연구와 향후 방향을 제시함으로써 고준위 폐기물 처리 및 대체 에너지 개발에 획기적인 전기를 마련할 것이다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 신승환
• 주관연구기관 : 고려대학교
• 발행년도 : 20240200
• Keyword : 1. 핵폐기물;구동용가속기;사이클로트론; 2. Nuclear waste;Accelerator driven system;Cyclotron;

□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 민감 핵물질의 실시간 검증을 위한 격납 장치 및 사용자친화형 운용 소프트웨어, 장비 운영매뉴얼의 개발을 통해 안전조치 효율성 향상 및 사용자 편의성 증진에 기여함 ◼ 전체 내용 [1차년도] 실시간 격납장비 설계요건 도출 및 주요 기능 개발 - IAEA 기술기준 및 기존 장비 기술성 분석 - 실시간 격납장치 설계요건 도출 - 맵핑 및 위치 추적기술 개발 - 비휘발성 데이터 로깅 기술 개발 - 암호화/인증 기술현황 분석 [2차년도] 프로토타입 장치 개발 및 성능평가 - 프로토타입 장치 설계 및 제작 - 프로토타입 장치 성능평가 및 성능 개선안 도출 - 유사상황 경고기능 개발 - 암호화/인증 기술개발 - 데이터 원격 전송 및 검증기술 개발 - 사용자친화형 운용 SW 설계 [3차년도] 상용화 격납장치 및 운용 SW 개발 - 상용화 장치 설계 및 제작 - PC 버전 운용 SW 개발 및 베타 테스트 - 기존 안전조치 장비 운영절차 분석 - 실시간 격납장치 운영절차 개발 [4차년도] 상용화 장치 성능평가 및 운영매뉴얼 개발 - 상용화 장치 성능평가 - 상용화 장치 성능 보완 및 시제품 제작 - 모바일 버전 운용 SW 개발 및 베타테스트 - 국/영문 장비 운영매뉴얼 개발 ◼ 1단계 ❏ 목표 [1차년도] 실시간 격납장비 설계요건 도출 및 주요 기능 개발 [2차년도] 프로토타입 장치 개발 및 성능평가 ❏ 내용 ○ 1차년도 - 격납장치는 기본적으로 임의 조작을 방지하고 무결성을 확보하기 위한 변조 표시 장치임. IAEA는 기존 장비의 성능평가와 새로운 장치의 개발에 대한 설계요건들을 제시하고 있음. 따라서 1차년도에는 격납 장치 관련 IAEA 및 국제 기술기준을 분석하고, 기존 격납장치의 기능 및 사용성, 취약점을 평가함으로써, 새로운 격납 장치의 최적화된 설계 요건과 강화된 특징을 도출하였음. 이와 함께 실시간 격납장치 개발에 필수적인 핵심 요소기술들을 확보하였음. 즉 격납장치의 위치 추적기술, 비휘발성 데이터 로깅기술을 확보하고 암호화/인증 기술에 대한 현황을 분석하였음. ○ 2차년도 - 2차년도에는 1차년도에 도출한 설계요건을 기반으로 프로토타입 장비를 제작한 후 성능을 평가함으로써 성능 개선안을 도출하였음. 한국화학융합시험연구원 및 한국원자력연구원에서 환경시험 및 방사선조사시험을 수행하였음. 또한 실용성 평가를 위해 한국원자력통제기술원과 공동으로 성능평가를 수행하였음. 이와 함께 실시간 검증 격납장치 소프트웨어 개발을 위해 기존 전자식 격납장치의 소프트웨어를 분석하고, 새로운 격납 장치 소프트웨어의 설계 요건을 도출하였음. 추가적으로 격납 장치의 핵심기술인 유사상황 경고기능, 암호화/인증 기술, 데이터 원격전송 기술들을 확보하였음. ◼ 2단계 ❏ 목표 [1차년도] 상용화 격납장치 및 운용 SW 개발 [2차년도] 상용화 장치 성능평가 및 운영매뉴얼 개발 ❏ 내용 ○ 1차년도 - 2단계 1차년도에서는 프로토타입 장치의 성능평가 경험 및 도출된 성능 개선안을 바탕으로 상용화 장치를 설계하고 제작함. 또한 PC 버전의 운용 SW를 개발하고 설계 요건을 만족하는지 베타 테스트를 수행함. 이와 함께 기존의 IAEA 및 국가 안전조치 장비들의 운영절차를 분석하여 실시간 격납장치의 장비 운영절차를 개발할 계획임. 표준화된 장비운영절차를 통하여 효율적인 실시간 격납장치 하드웨어 및 소프트웨어의 운영 및 유지보수가 가능할 것으로 기대함. ○ 2차년도 - 2단계 2차년도 연구개발에서는 제작된 상용화 격납장치의 성능을 평가하여 개선안을 도출할 계획임. 이를 기반으로 성능을 보완하여 최종적으로 상용화 시제품을 제작할 계획임. 또한 모바일 버전의 운용 SW(안드로이드 및 iOS)를 개발하고 이에 대한 베타테스트를 진행함. 이와 함께 국가 검사원을 위한 국문 버전과 IAEA 사찰관을 위한 영문 버전의 장비 운영 매뉴얼을 개발할 계획임. □ 연구개발성과 [1차년도 목표] 안전기술보고서 2건, 국내외 논문게재 1건, 학술발표 4건, 신규고용 1명 [2차년도 목표] 안전기술보고서 4건, 국내외 논문게재 1건, 학술발표 6건, 인력양성 1명, 시제품 제작 1건 [3차년도 목표] 안전기술보고서 4건, 국내외 논문게재 3건, 학술발표 6건, 특허출원 1건, 인력양성 2명, 상용화/SW등록 각 1건 [4차년도 목표] 안전기술보고서 4건, 국내외 논문게재 3건, 학술발표 7건, 특허출원/등록 각 2건, 인력양성 각 1명 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ○ 활용계획 - 본 연구를 통해 개발되는 실시간 격납 장치 기술은 북한의 비핵화 대상 시설 및 장비, 핵물질의 격납을 위해 활용될 수 있음. 국내 원자력 시설과 같이 안전조치 요건을 모범적으로 준수하는 시설과 달리 북한 비핵화 대상 시설의 경우 안전조치 적용을 어렵게 만드는 다양한 위해 환경이 존재할 가능성이 매우 높을 뿐만 아니라, 격납 장치의 훼손 및 오작동, 전원 상실 등 정보 연속성(Continuity Of Knowledge, CoK)이 유지되지 않는 상황이 발생될 가능성이 큼. 이에 본 연구를 통해 개발되는 기술은 북한 핵시설 및 핵물질의 전용을 실시간으로 검증할 수 있는 기술로서 북한의 완전한 비핵화라는 최종적인 목표 달성을 위해 활용될 수 있음. - 격납 기술은 핵물질 계량 기술을 보조하는 수단으로서 안전조치 효율성을 높이는 주요 수단 중 하나임. 이러한 기술은 기본적으로 국내외 원자력 시설에서 활용될 수 있음. 즉 현재 활용중인 국가 봉인 및 IAEA 봉인 장치는 실시간으로 원격 검증이 어렵고, 사찰관이 직접 방문하여 전용 리더기를 통해 검증을 해야한다는 단점이 있음. 하지만 본 연구를 통해 개발되는 장비는 원격에서 실시간 검증이 가능하기 때문에 안전조치 효율성을 높이는 기술로 활용될 수 있음. - 본 연구를 통해 개발되는 격납 기술은 핵물질 및 방사성물질 등 원자력 분야가 아닌 다른 국가 안보 및 군사 목적으로도 활용될 수 있음. 다양한 이유로 어떠한 시설/장비/물건을 봉인해야 될 상황이 발생할 경우 본 연구에서 개발된 격납기술이 활용될 수 있음. 예를 들어 미사일 탄두 저장고에 설치하여 저장고 개방 여부를 원격으로 실시간 검증을 할 수 있으며, 국가 보안문서 및 귀중품을 보관하는 저장고 등 출입금지구역에서도 활용할 수 있을 것임. ○ 기대효과 - 안전조치 분야에서는 전통적으로 비용이 저렴하고 사용이 쉽다는 이유로 Metal Cap 및 Paper Seal을 광범위하게 활용하고 있음. 하지만 이러한 피동형 격납장치는 실시간 모니터링이 불가능하고, 장비 설치 및 검증을 위해 사찰관이 근접 접근을 해야 한다는 단점이 있음. 따라서 고방사선 구역에서의 활용도가 낮으며 사찰관의 방사선 피폭 우려도 존재함. 본 연구를 통해 개발되는 기술은 현장 검증의 필요성을 현저하게 줄임으로써 IAEA 사찰관 및 국가 검사원의 방사선 피폭을 저감할 것으로 기대함. - 기존의 격납장치는 훼손여부를 현장검사를 통해서만 확인이 가능하기 때문에, 핵물질의 탈취 및 정보연속성 상실 등 유사상황 발생 시 즉각적인 대응이 어려움. 따라서 실시간 모니터링이 가능한 격납장치의 개발을 통해 실시간 핵물질 통제 및 유사상황 발생 시 즉각적인 대처가 가능할 것으로 기대함. - 국가 핵비확산 체계의 구축 및 이행은 국제사회가 요구하는 규범 및 의무 이행의 일환으로서 관련 기술의 고도화를 위해 국가 주도의 체계적인 연구개발이 필요하며, 선진 격납장치의 개발 및 사찰 현장 적용 등 우수성 입증을 통해 안전조치 분야 기술 자립 및 국가 위상 제고에 기여할 수 있음. - 본 연구를 통해 안전조치 격납 기술을 확보함으로써 북한의 완전하고 불가역적인 비핵화를 위해 ‘폐쇄/불능화-신고-검증-폐기/해체-감시’에 이르는 일련의 과정에서 핵심 이해당사자인 우리나라가 주도적인 역할을 담당하는데 기여할 수 있음. 또한, 국내에서 개발된 기술을 활용한다면 북한 비핵화 활동 비용을 절감 할 수 있으며, 국내 안전조치 기술의 국제적인 위상을 높일 수 있음. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 서희
• 주관연구기관 : 전북대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 핵물질;안전조치;격납 장치;실시간;원격; 2. Nuclear Material;Safeguards;Seal;Real-time;Remote;

□ 연구개요 본 연구의 목표는 토모테라피 치료계획에 사용되는 여러 매개변수와 DQA 결과의 상관관계 분석 및 Dosiomics를 통한 선량분포와 DQA 결과의 상관관계를 분석하고 이에 따른 feature들로 복합적인 머신러닝을 구성하여 DQA 결과를 예측하고 치료계획 시 조정이 필요한 매개변수를 제시하는 인공지능기반 시스템을 구축하는 것임. 최종적으로 토모테라피 치료 정확도 및 안정성 향상을 위한 인공지능 기반 방사선 치료계획 보조 시스템(RTP assistant system)을 구현하고자 함. □ 연구 목표대비 연구결과 - 가톨릭 중앙의료원 산하 병원에서 수집한 다양한 토모테라피 시스템 기반 암환자의 치료계획 및 DQA 결과 데이터를 기반으로 다양한 환자 집단의 데이터를 확보함. - 수집된 데이터를 기반으로 방사선 치료계획과 DQA 결과 간의 상관관계를 분석하고 특정 치료계획 매개변수가 DQA 결과에 미치는 영향을 확인함. - 연구에서 개발된 다양한 회귀, 분류, 앙상블 모델을 비교 분석한 결과 Voting Classifier와 Stacking Classifier가 가장 높은 성능을 보임. - 토모테라피 치료계획의 매개변수 조정과 선량분포의 변화가 DQA 결과에 미치는 영향을 정량적으로 예측할 수 있는 인공지능 모델 성능 향상 및 최적화 - 모든 모델에 최적화 된 하이퍼 파라미터들을 적용하여 임상 현장 활용을 위한 예측 성능 평가를 수행함. - 도출된 파라미터들을 재계획에 반영 후, Pass rate 평가를 통해 인공지능 기반 토모테라피 방사선 치료계획 보조 시스템을 구축함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) [연구과제의 활용계획] － 본 연구를 통해 토모테라피 DQA 결과를 예측하는 모델을 개발함으로써 DQA 측정 전에 실패할 가능성이 있는 치료계획을 미리 확인할 수 있음. 이는 임상 적용 시 DQA 시간과 비용을 줄일 수 있으며 치료계획의 정확도를 보장할 수 있음 － 가톨릭 중앙의료원 산하 병원 데이터를 이용함으로 Tomotherapy Hi-art, Radixact X7, Radixact X9 등 모든 토모테라피 시스템에 적용할 수 있음. － 개발한 시스템을 기반으로 토모테라피 포함 다양한 방사선치료 장비를 이용한 IMRT, SBRT, SRS 등의 다양한 치료기법의 방사선 치료계획 데이터를 수집 및 연구하여 인공지능 기반 통합 DQA 분석 프로그램을 개발할 수 있으며, 인공지능 기반 방사선치료 보조 시스템으로써 고정밀 방사선치료의 정확도를 향상시킬 수 있음. [기대효과] 1. 기술적 측면 - 본 연구기관에서는 다양한 토모테라피 장비(Hi-Art, TomoHD, Radixact X7, Radixact X9)와 치료방식(Tomo-helical & Direct)이 가능하여 광범위한 환자 데이터 수집 가능함. 이러한 환자 데이터들을 학습시킴으로써 한 가지 조건에 국한하지 않고 범용적으로 토모테라피 치료에 적용 가능함. - 본 기관에서는 상기 내용과 같이 다량의 축적된 데이터를 수집 및 학습시킬 수 있는 환경이 조성되어 있기 때문에 결과 예측 모델에 대한 높은 정확성을 기대할 수 있음. 2. 경제적 ․ 산업적 측면 - DQA를 실시했을 때 결과를 기준으로 허용범위 이내면 치료를 진행하지만, 벗어나는 경우 재치료 계획을 시행해야 함. 본 연구를 통해 결과에 영향을 미치는 치료계획 매개변수를 미리 파악하고 이를 고려한 치료계획을 진행한다면 방사선치료를 위한 준비 시간이 단축될 것이며, 단축된 시간만큼 치료 시간을 확보할 수 있음. - 방사선치료 수요가 증가함에 따라 방사선치료 기술에 대한 시장성이 큰 현단계에서 개발한 시스템에 대한 전략을 세워 독보적인 위치를 확보한다면, 시장 선점에 따른 수입대체 및 수출로 인한 국부 증대가 기대됨. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 강영남
• 주관연구기관 : 가톨릭대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 토모테라피;환자별 선량전달 정도관리;인공지능;방사선치료계획 매개변수;정도관리 통과율 결과 예측; 2. Tomotherapy;Patient-specific Delivery Quality Assurance;Artificial Intelligence;Radiation Treatment Plan Parameter;Prediction of Quality Assurance Passing Rate;

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 한승우
• 주관연구기관 : 한미르
• 발행년도 : 20240100
• Keyword : 1. 나노세라믹;나노분말;세라믹솔루션;방화체;화재안전; 2. Nano-Ceramic;Nano-powder;Ceramic solution;Fire prevention;Fire safety;