• (개요) 미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 과학자를 포함하는 두 팀이 2023 컴퓨터 기계 협회 Gordon Bell Prize*의 최종 후보로 선정되었으며, 두 팀 모두 DOE 오크리지 국립연구소(ORNL)의 슈퍼컴퓨터인 Frontier와 같은 고성능 엑사스케일 컴퓨팅 도구를 사용하여 획기적인 연구(첨단 원자로 설계 연구와 기후 모델링 연구)를 수행 * Gordon Bell Prize: 고성능 컴퓨팅 분야의 뛰어난 업적을 기리기 위해 매년 수여되는 상으로, 그 목적은 과학, 공학 및 대규모 데이터 분석 분야의 애플리케이션에 고성능 컴퓨팅을 적용하는 데 있어 혁신을 보상하는 데 특히 중점을 두고 병렬 컴퓨팅의 시간 경과에 따른 진행 상황을 추적하는 것임 • 아르곤 국립 연구소에서 공동 임명을 맡은 Penn State University의 원자력 공학 교수 Elia Merzari가 첫 번째 팀을 이끌었으며, 연구원들은 온도 변화, 유체 이동 및 방사선의 상호 작용을 면밀히 관찰하면서 전례 없는 해상도로 첨단 원자로 시스템을 시뮬레이션 함 - 그들의 실험에는 최소한의 통계 오류(1% 미만)로 연료 핀 영역의 반응을 계산하는 데 사용되는 고유 코드와 소프트웨어가 통합되었으며, 이 고충실도 시뮬레이션은 첨단 원자로 내에서 발생하는 중요한 프로세스에 대한 최초의 해결 방법을 보여 줌 - 슈퍼컴퓨팅 리소스는 부분적으로 기존 CPU 또는 중앙 처리 장치와 함께 GPU 또는 그래픽 처리 장치를 사용하여 충실도가 높은 시뮬레이션을 가능케 함 - Merzari팀은 “Exascale Multiphysics Nuclear Reactor Simulations for Advanced Designs”라는 논문을 통해 결과를 발표 • Sandia 국립 연구소의 에너지 엑사스케일 지구 시스템 모델(E3SM) 수석 계산 과학자 Mark Taylor 가 이끄는 다중 연구실 팀은 기후 모델링을 위한 새로운 Gordon Bell Prize 후보로 지명되었으며, 2인의 아르곤 국립 연구소 연구원이 소속되어 있음 - E3SM팀은 Frontier에서 전례 없는 고해상도 지구 대기 모델을 실행하였는데. SCREAM (Simple Cloud Resolving E3SM Atmosphere Model)이라고 불리는 이 모델은 구름 과정과 기후 변화 및 날씨 패턴에 미치는 영향을 보다 정확하게 표현하며, 이는 GPU를 사용하도록 설계된 몇 안 되는 지구 대기 모델 중 하나이고 엑사스케일 시스템에서 약 3km 규모로 실행되는 최초의 모델임 - SCREAM은 기후 모델 예측의 불확실성을 줄이는 방식으로 기후 과정을 시뮬레이션하기 위해 매우 미세한 해상도(5km 미만)의 시뮬레이션을 생성하기 위해 개발되었으며, 성능 이식이 가능한 디자인은 모델의 성능에 영향을 주지 않고 현재 사용 가능한 다양한 컴퓨터 시스템 아키텍처에서 모델이 효율적으로 실행된다는 것을 의미

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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• (개요) 원자로 내 용융염이 높은 방사선에 노출 되었을 때 일어날 수 있는 변화 규명 - 용융염 원자로는 냉각재로 불소 혹은 염소 화합물의 용융염을 사용하는 차세대 원자로임 - 용융염은 방사선과 반응하지 않는것으로 알려졌으나, 최근 보고된 실험에서 용융염이 방사선에 의해 화학 변화를 일으킬 수 있다는 것이 밝혀짐 - Oak Ridge National Laboratory와 University of Iowa의 연구진들은 용융염에 추가된 과잉 전자의 거동과 효과를 시뮬레이션으로 규명 • (접근방안 소개) 제일원리 분자동력학 시뮬레이션을 활용하여 용융염의 전자의 거동을 관찰 - 높은 에너지를 받은 용융염 내 전자의 움직임을 양자역학 방법을 이용하여 시뮬레이션 - Oak Ridge National Laboratory의 CADES와 Lawrence Berkeley National Laboratory의 NERSC 활용 • (결과) 방사선이 용융염에 라디칼을 생성하여 추가적인 화학 반응을 야기할 수 있음을 규명 - 방사선을 받은 용융염은 세 종류의 상태를 거칠 수 있음 - 세 상태 중 라디칼 상태는 근처의 다른 화학종과 반응하여 복잡한 화학 반응을 일으킬 수 있음

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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• Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)은 미국에서 세 번째 엑사스케일 급 슈퍼컴퓨터가 될 것으로 예상되는 El Capitan 시스템의 구성 요소 수령 및 설치를 시작했다고 알림 • ElCapitan은 2엑사플롭스 이상의 성능이 예상되며 2024년 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 될 것으로 예상됨 - 해당 시스템은 국가 안보작업과 국가 핵 억제능력을 유지할 수 있도록 LLNL, Los Alamos and Sandia National Laboratories를 포함한 국가 핵 안보 관리국 연구소에서 사용될 예정 • HPE Cray에서 제작한 EL Capitan은 미국의 첫 번째 엑사스케일 컴퓨터인 Forontier 시스템과 마찬가지로 AMD CPU와 GPU 가속기를 장착할 예정 - El Capitan은 LLNL의 현재 주력 슈퍼컴퓨터인 Sierra보다 고급 통합 CPU/GPU 프로세서와 확장된 메모리 용량을 갖추고 있어 NNSA( National Nuclear Security Administration)의 주요 프로그램인 Stockpile Stewardship Program에서 필요한 예측 모델링과 시뮬레이션 작업을 더욱 정밀하고 현실적인 수준으로 수행할 수 있게 해줄 것 - 또한, 시뮬레이션과 인공지능, 기계학습을 결합함으로써 El Capitan은 핵 비확산, 반테러, 핵융합 에너지 등 다른 과학 분야에서도 새로운 연구 경로를 열어줄 것으로 기대됨

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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• (개요) ExaSMR(Exascale Small Modular Reactor) 프로젝트는 원자력 산업의 엔지니어에게 원자로 시스템의 고해상도 시뮬레이션을 제공하는 것을 목표로 하여 진행 - 미 에너지부의 엑사스케일 컴퓨팅 프로젝트(Exascale Computing Project) 지원을 받는 이 프로젝트는 대규모 원자로 시뮬레이션을 보다 접근 가능하고 비용 효율적이며 정확하게 만드는 데 중점 • (접근방안 소개) ExaSMR은 Shift, OpenMC, NekRS 및 ENRICO를 포함한 신뢰할 수 있는 컴퓨터 코드를 통합하여 원자로 설계에서 전체 핵분열 프로세스를 예측할 수 있는 툴킷을 생성 - 이 코드는 GPU를 활용하는 ORNL의 Frontier 및 Argonne의 Aurora와 같은 엑사스케일급 슈퍼컴퓨터에 최적화 - 이 코드는 Monte Carlo 방법과 전산 유체 역학을 사용하여 중성자 수송, 열 생성, 연료 진화 및 원자로의 유체 거동을 시뮬레이션 • (결과) ExaSMR의 고해상도 모델링 기능은 엔지니어에게 열 생성, 열 전달, 전력 생성 및 시스템 수명을 포함하여 원자로 프로세스에 대한 중요한 통찰력을 제공 - 원자로 연료 주기를 정확하게 예측함으로써 ExaSMR은 비용이 많이 드는 물리적 실험의 필요성을 줄이고 보다 안전하고 효율적인 원자로 설계에 도움이 되는 예측 기능을 제공

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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• (개요) 미국 에너지부(DOE) Exascale Computing Project(ECP)가 지원하는 고성능컴퓨팅(HPC) 소프트웨어 프로젝트인 Exascale SMR(ExaSMR)은 대규모 원자로 시뮬레이션에 더 쉽게 접근하고 더 저렴하게 만드는 것, 그리고 현재 기술보다 정확할 것을 목표로 함 • 소형 모듈 원자로(Small Modular Reactor(SMR))는 차세대 핵분열 동력원으로, 현존하는 대부분의 상업용 원자로와 달리 SMR은 훨씬 더 작고 표준화된 설계를 사용하므로 건설비용과 생산시간이 단축 - SMR 설계 과정에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 제안된 설계의 실행 가능성을 예측하고 이를 개선 - 그러나 유체 역학 및 중성자 수송 모델을 실행하는 것은 계산이 까다롭고 비용이 많이 들기 때문에 산업계에서는 제한적으로 사용하게 됨 • ExaSMR은 전체 핵분열 프로세스에서의 다양한 물리학을 모델링하는, 가장 신뢰할 수 있는 컴퓨터 코드를 통합하여 원자로 설계 과정에서 전체 핵분열 프로세스를 예측할 수 있는 툴킷을 생성 - 이러한 코드 대부분은 이미 과학 및 산업 분야에서 잘 확립되어 있으나, ExaSMR 팀은 해당 코드가 HPC에서 최적화되어 실행되는 완전한 개조를 진행 • 전체 원자로 프로세스를 고해상도로 정확하게 모델링하는 ExaSMR의 기능(원자로의 핵분열 이벤트가 생성할 열량, 해당 열을 발전기로 전달하는 원자로의 기능 및 전체 시스템의 예상 수명 예측)은 엔지니어에게 원자로 설계의 안전성과 효율성을 보장하기 위한 핵심 통찰력이라는 이점을 제공

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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한국천문연구원이 항공기 탑승 시 피폭되는 우주 방사선을 직접 확인할 수 있는 웹사이트를 열었다.   우주방사선은 태양과 태양계 외부에서 생성돼 지구로 유입된다. 대부분은 지구 자기장에 의해 차단되지만, 상대적으로 에너지가 높은 입자들은 지구 대기로 침투한다. 지표면에서는 크게 위협적이지 않지만 비행기를 자주 타는 탑승객과 승무원의 경우 피폭되는 우주 방사선량을 무시할 수 없다. 최근 5년간(2017~2021년) 항공 승무원의 연간 평균 방사선 피폭선량이 병원·원전 등 기타 방사선 작업 종사자의 2~7배에 달한다. 이는 승무원의 방사선 피폭량을 신뢰도 있는 모델로 정확하게 계상하는 노력이 필요하다는 것을 의미한다. 일반적으로 서울에서 미국이나 유럽을 왕복하는 비행기를 탈 경우, 흉부 X선 촬영을 한 번 한 것과 비슷한 0.1밀리시버트(mSv)의 우주방사선에 노출되는 것으로 알려져 있다.   현재 대부분의 국내 항공사는 미국 모델(CARI-6M)로 우주방사선을 측정하고 있다. 하지만 CARI-6M은 태양 우주방사선을 고려하지 않고 연중 변화가 거의 없이 일정한 은하 우주방사선만을 고려한 모델이다. 그러나 태양의 흑점 폭발하거나 ‘코로나 질량 방출’(태양풍 폭발 현상) 등 태양에 갑작스러운 변화가 생길 때, 지구로 오는 양성자 수가 급증해 피폭량이 늘어날 수 있다.   이에 한국천문연구원은 독자적인 우주방사선 예측 모델 ‘KREAM(Korean Radiation Exposure Assessment Model for Aviation Route Dose)’을 개발했다. 이 모델은 우주방사선의 주요한 원인인 은하우주방사선과 태양우주방사선을 모두 고려해 피폭량을 계산한다.   웹사이트(kream.kasi.re.kr)에 접속해 여행 날짜와 입·출국 공항 혹은 도시명을 입력하면 승객과 승무원들이 탑승할 예정인 항로의 우주방사선 피폭량 예측 정보를 사전에 계산해볼 수 있고, 여행이 끝난 이후 과거 기록에 해당되는 항로의 피폭량 또한 확인할 수 있다. 현재는 대한항공이 운항하는 항공로에 한해서만 피폭량을 계산하고 있다. 추후에 단계별로 확장하여 타 항공사가 운항하는 항공로에 대해서도 서비스할 예정이다.   KREAM 개발 총괄책임자인 황정아 한국천문연구원 책임연구원은 “항공기 우주방사선 안전관리를 위한 생활주변방사선안전관리법 개정안이 최근 통과됐고, 체계적이고 신뢰도 있는 우주방사선 측정과 평가 프로그램이 절실한 시점에 한국의 독자적인 예측 모델을 개발했다”며, “KREAM 모델 서비스를 활용해, 승객 및 승무원의 항공기 우주방사선 안전관리를 위한 신뢰성 있는 데이트베이스를 지속적으로 구축해 나갈 예정”이라고 전했다.  

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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헬름홀츠 연구회 소프트웨어 포럼은 AK 오픈 사이언스의 연구 소프트웨어 태스크 그룹과 HIFIS(Helmholtz Federated IT Servicces)가 공동으로 후원. 2022년 4월에 열린 ‘연구 소프트웨어’  행사는 헬름홀츠 오픈 사이언스 사무국에 의해 조직.  이 주제에 대한 헬름홀츠 오픈 사이언스 포럼의 두 번째 행사이며 이 보고서는 이에 대한 기록이며, 첫 번째는 2021년 5월에 ‘연구 소프트웨어 정책’이라는 제목으로 개최. 연구 소프트웨어의 개방적이고 지속 가능한 사용에 대한 정책, 실제, 인프라 및 도구 등 세 가지 측면에 대해 논의함.

 

<발표 내용>

1. 환영사 및 포럼 소개[독어]: Roland Bertelmann(Helmholtz Open Science Office)

2. 연구 소프트웨어[영어]: Sünje Dallmeier-Tiessen(European Organization for Nuclear Research - CERN)

3. 의료 영상 상호 작용 툴킷[영어]: Amir Kalali(German Cancer Research Center - DKFZ)

4. Chemotion 전자 연구 노트(ELN)[영어]: Nicole Jung(Karlsruhe Institute of Technology - KIT)

5. 중간 규모 수문 모형 – mHM[독어]: Sebastian Müller(Helmholtz Centre for Environmental Research - UFZ)

6. Helmholtz Digital Services for Science - 협업이 쉬워졌다[영어]: Tobias Huste(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf - HZDR)

7. 풍부한 메타데이터를 갖춘 자동화 소프트웨어[영어]: Tobias Schlauch(German Aerospace Center - DLR)

• 저자 : KISTI 정보서비스 동향지식 포털
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러시아 국립 원자핵연구 대학(National Research Nuclear University MEPhI), 영국 사우샘프턴 대학(University of Southampton)의 연구진은 1차원 다공성 실리콘 광자결정 속의 반도체 양자점의 자발 방출 속도와 강도를 증가할 수 있다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 양자 컴퓨터를 만드는데 필요한 핵심 문제 중의 하나를 해결하고 생의학 모니터링을 새로운 수준으로 끌어 올리는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

양자점은 빛과 물질이 상호작용할 수 있는 저차원 형광 나노구조체이다. 양자점은 나노결정의 크기에 따라서 넓은 파장 범위의 빛을 흡수하고 좁은 파장 범위의 빛을 방출할 수 있다. 즉, 한 개의 양자점은 각각의 특정 색상으로 빛난다. 이런 특성들은 양자점이 조명 장치, 태양광 패널, 양자 계산을 위한 큐비트까지 다양한 분야에 사용될 수 있다. 또한 광 안정성과 밝기 측면에서 기존 형광체보다 우수하다. 따라서 양자점 디스플레이는 다른 기술에 비해 훨씬 더 높은 밝기, 색상 대비, 낮은 전력 소비 등을 제공할 수 있다.

이번 연구진은 다공성 실리콘 기반의 광자 구조에서 반도체 양자점의 방출 속도와 강도를 모두 증가시킬 수 있다는 것을 최초로 입증했다. 이것은 다공성 기질에서 형광체의 국소적인 전자기 환경을 변경시킴으로써 자발적인 발광을 제어하는데 새로운 방법을 제공한다. 또한 이 연구결과는 바이오 감지, 광전자 공학, 암호화, 양자 컴퓨터 등의 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

이 연구는 광자결정의 산화를 사용했다. 광자결정의 산화는 발광 소멸을 억제하고 흡수를 위한 에너지 손실을 감소시켰다. 이러한 구조의 발광을 향상시키기 위해 다양한 방법이 사용되었고, 그 중에서 광자결정을 사용하는 것이 특히 중요했다. 광자결정 굴절률의 주기적인 변화를 통해 광자 상태 밀도(photonic states density)의 국부적인 증가를 달성할 수 있었다. 광자결정을 제조하기 위해 다공성 실리콘이 사용되었고, 이 소재는 굴절률을 정확하게 제어할 수 있고 제조가 용이하며 흡착능력이 뛰어났다.

이 연구결과는 광 컴퓨터 또는 암호화 시스템을 개발하는데 큰 역할을 할 것이다. 이 시스템을 사용하면 현재는 거의 불가능한 단일 또는 양자 얽힌 광자의 주문형 생산이 가능해진다. 얽힌 광자는 현대 물리학에서 중요한 역할을 한다. 얽힌 쌍이 없으면 양자 통신 및 양자 순간 이동을 수행할 수 없고 양자 인터넷으로 연결된 양자 컴퓨터를 구축하는 것이 거의 불가능하다. 양자 컴퓨터가 만들어지면 분자 모델링, 암호화, 인공 지능 등의 모든 영역에서 큰 변혁이 올 것이다.

이 새로운 시스템은 효소-결합 면역 흡착 측정(enzyme-linked immunosorbent assay)을 위한 소형 형광 바이오센서용으로 사용될 수 있다. 광자결정 증가 형광(photonic crystal enhanced fluorescence)을 가진 양자점을 사용함으로써 분석 감도를 크게 향상시켜서 조기 질병 감지가 가능하고, 환자 치료용 모니터링을 용이하게 한다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 반도체; 양자점; 광자결정 2. semiconductor; quantum dot; photonic crystal

중국이 자체 개발한 원자력 기술을 이용하여 건설한 첫 핵발전소에 9월 4일 연료를 장착하는 것을 시작하였다. 이것은 복건성의 Fuqing에 건설된 5번째의 핵발전소이다. China National Nuclear Corporation (CNNC)에 따르면 이 기술은 중국이 제 3세대 반응기 설계를 통해 국산화한 Hualong One기술을 이용한 것으로 운전을 위해 한 발짝 다가섰다고 볼 수 있다. 

Hualong One반응기들은 중국의 원자력발전에 두 축이라고 할 수 있는 General Nuclear Power Group과 CNNC에 의해서 추진되었고 2014년 8월 국가 위원회의 인준을 통과하였다. 이 원자력 발전소는 2015년도에 건설을 시작하였고, 올해에 운전을 시작할 것으로 기대되고 있다.

Fuqing의 제 1~4 네 기의 원자력발전소는 2017년도 9월에 운전에 들어갔으며 지금까지 1300억 킬로와트의 전기를 생산해왔다. 화석연료에 의한 발전에 비해서 네 개의 원자력발전소는 이산화탄소의 배출을 1억 5백만톤의 줄일 수 있따고 CNNC는 밝혔다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 원자력발전소,이산화탄소,전기 2. Nuclear power plants,CO2,electricity

프랑스에 위치한 ITER(국제핵융합실험로)는 최근 청정 에너지원 확보를 위한 인공태양 개발 프로젝트의 중요한 단계에 착수했다. 동 프로젝트는 2006년부터 현재까지 진행 중에 있는 프로젝트로, 한국, 중국, 미국, 인도, 러시아 및 EU 등 35개국이 참여하는 초대형 국제공동프로젝트이다.

핵융합연구자들은 그간 태양 내부에서 일어나는 핵융합 과정을 모방하여 저렴하고 안전한 전기를 무한대로 공급하는 일이 가능하다고 주장해왔다. 연구자들에 따르면 이 인공 태양은 기존의 플루토늄이나 우라늄 원자를 분리하는 방식과 달리 연쇄 반응의 위험이 없으며, 긴 수명의 방사성 폐기물을 생성하지 않는다는 장점이 있다.

ITER는 토카막(tokamak)이라고 부르는 원형 장치로, 높이와 둘레가 각각 30미터에 달하며 다수의 국가에서 제작된 백만 개 이상의 부품으로 구성된다. 프랑스 ITER본부로 이송되는 일부 부품의 경우 그 무게가 수백톤에 달하기도 한다. 또한, ITER를 보완하기 위한 다수의 소규모 실험이 필요하다.

ITER의 수장인 Bigot는 이번 인공태양프로젝트가 안정적인 전력수급을 위한 매우 훌륭한 방안이라고 설명함과 동시에, 프로젝트 완성을 위해서는 인공태양 개발의 가능성과 경제적인 효과가 먼저 입증되어야 할 것이라고 덧붙였다. 이 인공태양 프로젝트의 경우EU국가만을 대상으로 한 예산추정치가 약 200억 유로(235억 달러) 정도로 투자예산규모가 매우 크며, 참가국들이 자발적으로 예산을 기여하는 구조로 되어있기 때문에 앞으로의 예산 확보가 큰 난관이 될 것으로 전망된다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 인공태양,ITER,전력공급,청정에너지,핵융합 2. artificial sun,nuclear fusion,clean energy,ITER