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중국 첫 납-비스무트 고속 원자로 영출력 장치-치밍싱 Ⅲ호 첫 임계 달성

중국 첫 납-비스무트 합금 냉각 원자로(이하 "납-비스무트 고속 원자로"로 약칭) 영출력 장치-치밍싱(启明星) Ⅲ호가 첫 임계 달성에 성공함과 아울러 납-비스무트 노심 핵 특성 물리 실험이 본격 가동됐다. 이는 중국이 납-비스무트 원자로 노심 핵심 기술에서 거둔 중대한 획기적인 성과이다. 원자로는 중성자 에너지 스펙트럼 분류에 따라 열중성자로, 중간 에너지 중성자로 및 고속 중성자로로 나눈다. 냉각제 유형에 따라 기체 냉각 고속 원자로, 나트륨 냉각 고속 원자로, 납-비스무트 냉각 고속 원자로로 나눈다. 납-비스무트 고속 원자로는 납-비스무트 공정합금을 냉각제로 하고 나트륨 냉각 고속 원자로와 같은 액상 금속 냉각 고속 원자로에 속하며 4세대 핵에너지 시스템의 주요 원자로 유형이다. 영출력 장치는 운행 출력이 극히 낮은(최대 100와트) 원자로이다. 해당 장치에서 획득한 영출력 실험 데이터는 마치 "표척(標尺)"과 같이 핵심 핵 데이터, 노심 물리 설계 방법, 원자로 측량 기술 등의 정확도와 신뢰성을 위한 "표준"이 될 수 있다. 신형 원자력 시스템 개발을 위해 우선 상응한 영출력 장치를 개발하여 실험을 통해 원시 데이터를 축적하고 노심 핵 매개변수와 노심 물리 특성을 전면 파악하여 이를 기반으로 열기술, 역학, 차폐 등 원자로의 기타 방면의 설계를 완성해야 한다. 치밍싱 Ⅲ호가 임계 달성에 성공한 후, 일련의 실험 작업을 수행하게 되며 획득한 노심핵 매개변수 실험 데이터는 중핵그룹(CNNC)의 각 모델의 납-비스무트 원자로 공학 설계의 기초 핵 데이터의 거시적 검사, 노심 설계와 안전 분석 방법의 전반적 검증 및 원자로 운행 기술의 혁신 연구에 사용될 예정이다. 납-비스무트 합금은 융점이 낮고 비등점이 높아 기존의 원자로에 비해 설계와 공학적 어려움을 크게 줄일 수 있고 고유 안전성과 중대 사고 방지 능력이 더 높으며 에너지 밀도가 더 크고 운행 수명이 더 길다. 응용 면에서 백만 천만 급의 대형 발전소로 설계될 수 있고 메가와트급 소형모듈식 원자력 발전소로 설계될 수 있으며 심해 공간 정거장, 해양 석유 탐사 플랫폼, 중국 난하이 지역의 섬 개발, 오지의 에너지 공급 및 빅데이터 센터 등에 응용할 수 있다.

300킬로미터 더블 필드 양자키분배 완벽구현

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최근, 중국과기대학 판젠웨이(潘建伟)/장창(张强)/류양(刘洋) 및 칭화대학 왕샹빈(王向斌), 중국과학원 상하이마이크로시스템연구소 유리싱(尤立星) 등은 공동으로 300킬로미터 실제 환경 광섬유에서의 더블 필드 양자키분배를 구현함으로써 장거리 양자 통신 분야 연구에서 중요한 성과를 거두었다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"의 인터넷버전에 게재되었다. 연구팀은 300킬로미터 더블 필드 양자키분배를 완벽하게 구현했을 뿐만 아니라 700킬로미터 이상의 광섬유에서 장거리 양자키분배 구현 가능성을 검증함으로써 차세대 장거리 도시 간 양자키분배의 기반으로 될 전망이다. 양자키분배는 사용자 사이에서 보안성이 아주 높은 키분배를 가능하게 함으로써 최고의 보안성 비밀통신을 실현할 수 있다. 그러나 통신 광섬유의 소모와 탐지기 소음 등 원인 때문에 양자키분배 시스템은 일반적으로 100킬로미터 이내에서만 비교적 높은 코드 레이트를 획득할 수 있다. 최근 영국 도시바 회사는 새로운 양자키분배 방안인 더블 필드 양자키분배 방안을 제안했다. 해당 방안은 단일광자의 간섭 특성을 교모하게 이용하여 일반 양자키분배 방안보다 뛰어난 코드 거리를 획득함과 아울러 이론적으로 일반 양자키분배 방안보다 뛰어난 코드 레이터를 획득함으로써 장거리, 고성능의 양자키분배에 새 방향을 제공했다. 하지만, 더블 필드 양자키분배를 실험으로 실현하기에는 조건이 너무 까다롭다. 연구팀은 다양한 실험으로 더블 필드 양자키분배 방안을 검증하고 실제 환경의 위상이 급격히 변화하는 300킬로미터 광섬유 채널에서 더블 필드 양자키분배를 실현하고 통상적인 무중계 양자키분배 방안의 최고 코드 레이트의 이론적 한계를 극복했다. 또한, 탐지기 성능 등을 향상시키는 조건에서 해당 방안이 700킬로미터 이상의 원거리 양자키분배를 구현할 수 있다고 분석하였다.

중국과기대, 양자간섭 실험을 천문학적 규모로 확장

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 중국내외 협력자와 공동으로 세계 최초로 양자점 단광자(Single Photon)와 태양광 간 2광자 간섭, 양자얽힘, 비국소성 등을 실험적으로 관찰했다. 해당 연구는 독립적 광자 간 양자간섭 실험을 서로 1.5억 km 떨어진 두 개의 독립 광원으로 확장시켰을 뿐만 아니라 최초로 천문학적 규모에서 양자통계 원리의 보편성을 검증함과 아울러 열광 필드(thermal light field) 양자화의 직접적 실험증거를 제시했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 다수 양자정보기술의 기반인 독립적 광자 간 양자간섭 현상은 고전적인 전자기파 원리로 해석할 수 없으며 반드시 광 필드를 양자화 처리해야 한다. 현재 세계적으로 보고된 연구에 의하면 다양한 광원 간 양자간섭은 이미 실현되었다. 중국과기대 연구팀은 최초로 자연적 원거리 열광원인 태양을 이용한 양자광학 실험을 제안했다. 높은 대비도의 양자간섭을 명확하게 관찰하기 위한 실험에서 주요 어려움은 고성능 단일 광자원 및 다자유도 양자 이레이저(quantum eraser) 기술의 개발이다. 판젠웨이/루차오양 연구팀은 펄스 공명으로 마이크로캐비티 결합을 여기시킨 단일 양자점으로 단일편광, 고효율, 고순도, 높은 동일성, 최적 종합성능의 단일 광자원을 구현했다. 이를 토대로 연구팀은 초협대역 필터링, 초단시간 식별 등을 포함한 일련의 양자 이레이저 기술을 개발했다. 실험에서 50% 이상 고전적 한계(classical limit)의 80% 간섭 대비도를 관측함과 아울러 열광(thermal light)의 양자화 성질을 분명히 입증함으로써 천문단위 규모에서 양자 보스(bose) 통계 원리의 보편성을 검증했다. 그리고 태양광 광자와 양자점 단광자 간 충실도가 0.826에 달하는 얽힘상태를 구현함과 아울러 이처럼 공통적인 역사적 유래가 없는 해당 얽힘광자를 이용해 벨 부등식을 검증했고 또한 3배 표준편차 이상의 위반을 실험적으로 획득함으로써 양자역학의 비국소성을 재차 검증했다.

광전식 인코더 자체개발 관련 핵심기술 파악

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최근 중국은 최초로 고정밀도 절대치형 로터리 광전식인코더(absolute value rotary photoelectric encoder) 핵심 칩 및 관련 기술을 자체적으로 개발했다. 광학, 전자, 정밀기계 기술의 집대성인 로터리 광전식인코더는 광전원리를 이용해 회전축의 회전각도 변화를 검출하는 센서로서 엘리베이터, 로봇, 드론, 수치제어 공작기계, 정밀조각기, 의료기계 등에 광범위하게 응용된다. 해당 인코더는 스마트제조 실현 과정에서 필수적인 첨단 제어센서설비이다. 현재 중국의 로터리 광전식인코더 핵심 칩의 수입 의존도는 심각하다. 그리고 중국내 관련 업체 첨단제품은 대부분 독일과 일본의 해결방안을 채택하고 있다. 연구팀은 광전식 인코더 핵심기술을 자체적으로 파악함과 아울러 포토다이오드 어레이, 고정밀도 저잡음 연산증폭기, 제2단 고정 게인 증폭기, 백래시(backlash)가 존재하는 히스테리시스 비교기(hysteresis comparator) 등으로 구성된 정밀도가 23자리에 달하는 로터리 광전식인코더 칩을 개발했다. 해당 칩은 마이크로 3채널 광학버니어(optical vernier) 부호화 기술, 실시간 빛의 세기 교정기술을 통합시켜 온도에 따른 LED 발광 변화, LED 노화, 인코딩 디스크(encoding disk)의 기름·먼지 오염, 탐지기 표면의 청결도 미흡 등 환경요인이 인코더 판독 값에 미치는 영향을 제거함으로써 인코더의 반복 정밀도 및 위치결정 정밀도를 향상시켰다. 이외에도 연구팀은 새로운 분리식 인코더 구조를 발명했다. 아울러 해당 구조로부터 새로운 분리식 인코더 교정·설치 방법을 파생시켜 분리식 인코더 교정·설치 과정의 조작 난이도를 낮추었을 뿐만 아니라 분리식 인코더 완제품의 두께를 뚜렷이 감소시켜 인코더 설치공간을 절약했다.

양자 네트워크 비국소성 연구 관련 성과

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중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉)/장창(張強)/판징윈(範靖雲) 연구팀은 중국과학원 상하이마이크로시스템정보기술연구소, 상하이교통대학 등 기관과 공동으로 세계 최초로 국소성, 측정 독립성, 얽힘원 독립성 등 허점을 차단한 조건에서 양자 네트워크의 2원 숨은 변수 이론에 대한 실험적 검증을 달성함으로써 양자 네트워크에서의 양자 비국소성 실험연구 및 응용을 위해 새 경로를 개척했다. 해당 성과는 "Nature Photonics"에 온라인으로 게재되었다. 비국소성은 양자역학의 주요 성질이며 또한 아인슈타인이 양자역학의 완전성을 질의한 주요 원인이다. 지난 수십 년 동안 다양한 이체 물리시스템에서 수행한 벨 부등식 위반을 대표로 하는 비국소성 실험적 검증은 모두 양자 비국소성을 지원한다. 이 과정에서 발전된 이론 및 실험기술은 양자정보과학의 발전에 기반을 마련했고 또한 크나큰 추진역할을 했다. 양자 네트워크의 발전과 함께 복잡한 토폴로지 구조 및 상호 독립적 얽힘원은 양자 비국소성에 보다 풍부한 물리적 함의, 보다 많은 잠재적 응용을 부여할 수 있음을 발견했다. 예를 들어 얽힘 교환 네트워크에서 2개의 독립적인 얽힘원에서 유래된 광자는 어떠한 공통역사 및 상호작용이 없이도 양자 얽힘을 발생할 수 있다. 벨의 단일 숨은 변수 이론을 2원 숨은 변수 이론에 합리적으로 확장시키면 각각의 얽힘원에 대응하는 숨은 변수도 상호 독립적이므로 벨 부등식과 유사한 2원 국소 부등식을 도출할 수 있다. 2체 시스템에서의 벨 부등식에 비해 해당 2원 국소 부등식 위반은 비2원 국소성 검증 외, 시스템 대비도에 대한 요구가 낮을 뿐더러 보다 높은 잡음 허용도를 보유한다. 해당 이론은 더 복잡한 양자 네트워크에 확장 가능하다. 최근 설비 독립적 양자정보 처리에서 무허점 벨 검증이 중요하게 응용되는데 비추어 이러한 유형의 다원 비국소성이 양자 네트워크의 설비 독립적 양자정보 처리에서 중요한 역할을 발휘할 것으로 예상된다. 현재 관련 분야 이론연구가 한창인 가운데 양자 네트워크의 다원 국소 부등식 및 그 응용 관련 연구가 이슈로 되고 있다. 하지만 실험에서 2원 국소 부등식에 대한 무허점 검증은 매우 큰 기술적 어려움이 존재한다. 이를 위해서는 기존의 무허점 벨 부등식 검증에서 차단해야 하는 모든 허점 외, 얽힘원 간 독립성 허점도 추가로 차단해야 한다. 하지만 기존 실험에서 어떠한 허점도 성공적으로 차단시키지 못했다. 최근 수년간 판젠웨이/장창 등은 세계 최초로 독립적 얽힘원의 원거리 동기화 기술을 구현함과 아울러 선후하여 도시권 광섬유 네트워크에서 독립적 얽힘원 기반의 양자 순간이동, 100km 얽힘 교환 등 일련의 작업을 수행했다. 이를 토대로 연구팀은 무작위 위상을 보유한 레이저 펄스를 얽힘원의 시드라이트(seed light)로 하여 얽힘원의 독립성을 완벽히 보장하는 한편 얽힘원의 독립성 허점도 차단했다. 연구팀은 고속 편광 변조기를 더 한층 발전시켰고 또한 양자 난수발생기에서 생성된 신호로 편광 변조기를 구동시켰다. 이로써 250MHz 반복주파수 조건에서 광자 편광상태에 대한 99% 충실도의 정밀 조절을 달성했다. 상기 기술의 개발은 비국소성 검증에 필요한 거리 요구를 대폭 낮춤으로써 소형 양자 네트워크 구축만으로도 국소성 및 측정 독립성 허점을 차단시킬 수 있다. 해당 실험에서 연구팀은 2원 국소 부등식의 45개 표준편차에 대한 위반도 달성했을 뿐만 아니라 벨 부등식 위반에 비해 우수한 잡음 허용도를 구현했다.

중국과학원, 창어 4호 착륙 위치 정밀 확정

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최근, 중국과학원 국가천문대 리춘라이(李春來) 연구팀은 중국우주기술연구원과 공동으로 데이터를 이용해 창어 4호(嫦娥四號)의 착륙 위치를 정밀하게 확정함과 아울러 달착륙 과정을 재현했다. 해당 성과는 달뒷면 제어점 연구 및 고정밀도 달 매핑(Mapping)에 기반을 마련함과 아울러 중국의 향후 심우주 탐사에 기술 지원을 제공했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 온라인으로 게재됐다. 달표면 연착륙은 일반적으로 지상에서 실시간 제어할 수 없기에 탐지기에 탑재된 센서를 이용해 자체로 계측 제어해야 한다. 따라서 탐지기 동력 하강 단계 궤적 재구성, 착륙점 위치 정밀 확정은 중요한 공학적 및 과학적 의미가 있다. 달의 정면에 연착륙할 경우 탐지기의 하강 궤적 및 착륙 위치를 지상 설비를 통해 측정할 수 있다. 하지만 달뒷면에 연착륙할 경우 달에 의한 차단으로 지상 설비를 이용해 측정할 수 없으며 또한 중계위성이 지상에 전송하는 원격측정 데이터의 제한으로 탐지기 착륙점을 정밀하게 확정할 수 없을 뿐만 아니라 하강 궤적을 재구성하기 매우 어렵다. 연구팀은 창어 2호 고해상도 지형 데이터와 창어 4호 착륙 과정 및 달표면 탐사 과정에서 획득한 멀티소스(Multi-source) 이미지 데이터를 결합해 창어 4호의 달뒷면에서 대략적인 장애물 회피 및 정밀 장애물 회피 등 자율항법 착륙 과정을 정밀하게 재구성함과 아울러 탐지기의 정밀 위치결정을 구현했다. 해당 성과는 창어 4호 착륙장치 및 위투 2호(玉兔二號) 월면차로 과학탐사를 수행하는데 배경 정보 및 위치 기준을 제공함과 아울러 중국이 향후 소행성 착륙, 화성 연착륙 등 과학탐사 임무를 수행하는데 기술 지원을 제공할 전망이다.

윈하이 1호 02위성 발사 성공

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2019년 9월 25일 8시 54분, 중국은 주취안위성발사센터에서 창정 2호 정(长征二号丁) 운반로켓으로 윈하이(云海) 1호 02위성을 성공적으로 발사해 예정궤도에 순조롭게 진입시켰다. 동 위성은 주로 대기해양환경요소 탐측, 우주환경 탐사, 재해 방지·감소 및 과학실험 등 분야에 사용된다. 창정 2호 정 운반로켓과 윈하이 1호 02위성 모두 중국항천과기그룹유한회사 산하 상하이우주기술연구원에서 개발했다. 이번 임무는 창정계열 운반로켓의 제313차 우주비행이다.

1개 로켓 2개 위성, 제47, 48호 베이더우 항법위성 성공적 발사

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중국은 2019년 9월 23일 5시 10분, 시창(西昌) 위성발사센터에서 창정(长征) 3호 을(乙) 탑재로켓과 위안정(远征) 1호 윗단을 이용하여 "1개 로켓 2개 위성"의 방식으로 제47, 48호 베이더우(北斗) 항법위성을 성공적으로 발사했다. 두 위성은 모두 중형지구궤도위성으로서 현재 구축 중인 중국 베이더우 3호 시스템의 네트워킹 위성이다. 3시간 남짓이 비행 후, 위성은 순조롭게 예정 궤도에 진입하였고 궤도상 시험 후 적시에 접속하여 서비스를 제공할 예정이다. 두 위성은 해당 궤도에서 최초로 경량수소 원자시계와 새 내비게이션 작업 프로세스를 장착하여 위성의 기능 지표와 서비스 질을 효과적으로 향상시켰다. 또한 국제 수색구조 페이로드를 탑재하여 베이더우 위성 항법 시스템의 수색구조 능력과 수색구조 범위를 더욱 향상시킬 수 있다. 이번 위성 발사는 베이더우 3호 네트워킹이 기본 시스템에서 완전 시스템으로의 전환 및 업그레이드를 의미하며 또한 베이더우 위성이 2019년도의 고밀도 발사 단계에 진입하였음을 의미한다. 현재 베이더우 위성 항법 시스템의 글로벌 네트워킹 발사는 이미 카운트다운 단계에 진입하였다. 베이더우 위성은 기타 글로벌 위성 항법 시스템과 함께 보다 정확하고 안정적이며 신뢰성이 있는 위치확정, 내비게이션 및 시보 서비스를 전 세계에 제공함으로써 전세계의 중요 공공 서비스 공간 인프라로 거듭날 전망이다. 이번에 발사한 베이더우 항법위성과 운반로켓(및 위안정 1호 윗단)은 중국항천과기그룹유한회사 소속 중국우주기술연구원과 중국운반로켓기술연구원에서 각각 총괄 개발했으며 이는 창정 시리즈 탑재 로켓의 312차 비행이다.

대형 선진 상용 가압수형 원자로 연료집합체 양산화

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최근, 중국 중핵그룹(CNNC)의 4세트 CF3 연료집합체가 타이산(秦山) 2기 4호 유닛 원자로에 사용되어 테스트에 들어갔다. 기존에 이미 8개 세트 CF3 연료집합체가 팡자산(方家山) 원자력발전소 2호 원자로에 사용되었다. 2019년 년 말에는 추가로 8개 세트 CF3 연료집합체가 타이산 2기 1호 원자로에 사용될 예정이다. 이는 중국이 자체 개발한 최초의 대형 상용 가압수형 원자로 연료집합체가 양산화 및 산업화 응용 단계에 진입했음을 의미한다. CF3 연료집합체는 중핵그룹이 자체개발한 선진 핵원료소자 브랜드로서 가장 강력한 중국 "칩"으로 불린다. 이는 중핵그룹이 고성능 핵원료 개발 기술을 전면적으로 파악하고 국제시장에서 경쟁력을 보유한 완전한 자체 연료 시스템과 제품 공급능력을 구비했음을 의미한다. 여러 발전소 운행조건에서의 방사선 조사 모드는 CF3 연료집합체로 하여금 더 광범위한 적용성을 갖게 한다. 이는 CF3 연료집합체가 제품 개발로부터 전면적으로 사용되기까지의 중요한 첫 걸음이다. CF3 연료집합체는 화룽(华龙) 1호, 링룽(玲龙) 1호 및 옌룽(燕龙) 저온난방용 원자로 등에 적용된다. 이는 중국의 자주 3세대 원자력발전소건설, 원자력 발전의 대규모 응용, 중국 원자력 산업이 국제 시장으로 진출하기 위한 견고한 기반을 마련하였으며 또한 중국 에너지 공급 안전에 중요한 의미가 있다. CF3 연료집합체 연구팀은 신형 N36 지르코늄합금 피복관 기술과 자체 혁신 디자인을 결부하여 연료집합체 제조 기술 연구, 원자로 외부 시험편 제작, 연료집합체 외부 시험 개발, 파일럿 연료집합체의 원자로 진입 안전 평가 및 원자로 진입 방사선 조사와 풀사이드 검사 연구를 통하여 구조와 수력학적으로 기존의 원자로 코어와 호환 가능하고 자체 지적재산권을 가진 CF3 연료집합체를 개발했다. 또한, CF3 연료집합체의 양산화 기술과 산업화 응용 기술 파악, 공법 최적화, 경제성 향상 등을 통해 N36 지르코늄합금 등 다양한 국내산 원자재가 CF3 연료집합체에서의 대량 응용을 달성함으로써 CF3시리즈 연료소자의 핵심 제조공법을 파악하고 연료집합체 양산 기술 시스템과 품질 관리 시스템을 구축했다.

에이즈 바이러스 RNA에 대한 형광표지 구현

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중국과학원 우한바이러스연구소와 우한대학은 공동으로 에이즈 바이러스 RNA에 대한 형광표지가 가능한 신형 양자점 나노 비콘(Beacon)을 성공적으로 구축했다. 해당 성과는 "Journal of the American Chemical Society"에 게재되었다. 해당 신형 양자점 나노 비콘은 원자가 상태 제어가 가능하고 생세포 내 단일 RNA 시각화 검출을 구현했다. 연구팀은 해당 비콘을 사용해 에이즈 바이러스 입자 내 단일 RNA 형광표지 및 단일 바이러스 탈외피(Uncoating) 과정의 동적 추적을 수행했다. 이외 동 기술은 기타 핵산서열 형광표지 및 검출에도 사용 가능해 저농도 핵산 고민감도 검사, 생세포 내 핵산 표지 및 이미징 분석을 구현할 수 있다. 생세포 내 단일 RNA 검출 및 추적은 질병 진단, 바이러스 감염 메커니즘 연구 등에 중요한 의미가 있다. 양자점 나노 비콘은 단일 RNA 검출 및 추적에 광범위하게 사용되는 기술이다. 해당 신형 양자점 나노 비콘은 관련 연구에 새 경로를 제공했다.

푸단대학간암연구소, 중국인 간암 발병·진행 메커니즘 최초로 규명

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최근 푸단대학[중산(中山)병원]간암연구소 판자(樊嘉) 연구팀은 중국과 서양의 간암 돌연변이스펙트럼(mutation spectrum) 간 차이점을 최초로 규명함과 아울러 B형간염 관련 간암에 대한 멀티오믹스(multi-omics)/다층차/다차원적 체계적 분석을 달성하였다. 간암은 중국에서 발병률 4위, 사망률 2위의 악성종양이다. 전세계 연간 간암 신발병 및 사망 병례에서 중국이 50% 이상을 차지한다. 또한 약 85%의 중국 간암환자가 B형간염바이러스 감염 배경을 지니고 있다. 연구팀은 중국인 간암 특성에 근거해 간암환자를 대사 구동형, 미세환경 이상형, 증식 구동형 등 3가지 아형으로 나누었는데 아형별 임상 예후 및 잠재적 치료 표적은 뚜렷하게 구별되었다. 해당 연구는 간암 예후 판단, 분자형 판정, 맞춤형 치료에 정확한 지침을 제공할 전망이다. 해당 성과는 국제 최고 생명의학저널 "Cell"에 온라인으로 게재되었다. B형간염 관련 간암에 대한 대표본 파노라마 다층차적 분석은 기존에 보고된바가 없었다. 동 연구소에서 생산된 고품질 빅데이터는 많은 간암 임상/기초 연구자에게 도움을 줌과 아울러 간암 연구 분야 발전을 유력하게 촉진할 전망이다. 연구팀은 연관성 분석(association analysis) 및 생물학 실험을 통해 간암 분자 특성 및 발병·진행 메커니즘을 전반적으로 해석했다. 또한 중국인 간암 데이터 기반 임상 중개연구의 필요성을 제시했다. 해당 연구는 간암 발병·진행 메커니즘에 대한 보다 심층적인 탐구 및 맞춤형 간암 정밀진료에 새 희망을 가져다주었다. 중국의 대부분 B형간염 환자는 중의약 치료를 받은 적이 있는데 부당한 중약 사용은 간암 발병·진행과 어느 정도 연관성이 있다. 연구에 따르면 35% 간암 샘플에 아리스토로크산(Aristolochic Acid) 유도 유전자 돌연변이 표지성이 함유된 것으로 나타났다. 연구팀은 아리스토로크산의 간암 유발작용을 감안해 임상에서 아리스토로크산을 함유한 중초약을 신중하게 사용할 것을 권장하고 있다. 해당 연구는 간암 발병·진행에서 대사이상(error of metabolism)의 중요작용을 체계적으로 제시했다. 연구팀은 앞으로 관련 메커니즘 및 중개경로에 대한 연구를 심층적으로 수행할 계획이다. 이번 연구에서 적지 않은 환자의 혈액샘플을 채집하였는데 향후 3가지 아형 분류에 근거해 해당 혈액샘플로부터 다양한 생물표지자를 찾아내 임상의사의 정밀 진단·치료에 도움을 줄 예정이다.

두 가지 종류의 단일세포 ChIP-seq 기술 개발로 세포운명 결정 메커니즘 규명

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베이징대학 분자의학연구소, 베이징대학-칭화대학 생명과학연합센터 허아이빈(何愛彬) 연구팀은 다양한 프로젝트 연구 요구, 발달 및 질환 상태에서 세포운명 결정 조절 메커니즘 해석에 적합한 두 가지 종류의 보편적이고 조작이 간단한 완전히 다른 풍격을 보유한 2개 종류의 단일세포 ChIP-seq 기술을 개발했다. 해당 성과는 "CoBATCH for high-throughput single-cell epigenomic profiling"라는 제목으로 "Molecular Cell" 및 "Profiling chromatin state by single-cell itChIP-seq"라는 제목으로 "Nature Cell Biology"에 게재됐다. 다세포생물은 동일한 게놈을 보유한 다양한 세포 유형으로 구성된다. 기관조직의 발달 과정에서 세포 상태 및 세포운명을 결정하는 메커니즘은 해당 분야의 관심사로 떠오르고 있다. 발달 과정 또는 질병 상태에서 후성유전학적 요인(DNA 서열을 변화시키지 않는 상황에서 유전자 발현 변화 또는 표현형을 유발할 수 있는 요인)은 세포운명의 결정에서 핵심 역할을 일으킨다. 세포 유형 및 기능 이질성은 흔히 유전자 발현 조절을 통해 구현된다. 현재 해당 연구는 주로 단일세포 전사체 수준에 집중되었으며 또한 단일세포 수준에서의 후성적 조절 메커니즘 해석도 매우 적다. 따라서 단일세포, 전체 게놈 범위에서 히스톤 수식 및 전사인자가 어떻게 세포계보(Cell lineage)의 발생, 운명 결정을 조절하는 지에 대한 연구가 부족하다. 염색질 면역침강(ChIP-seq)은 후성유전학적 조절을 연구하는 주요 기술 방법으로서 전체 게놈 범위에서 DNA-단백질의 상호작용을 포획할 수 있다. 하지만 실험 원리 및 기기 설비의 제한으로 ChIP-seq 기술이 단일세포 수준에서의 연구 및 응용은 제한되었으며 현재 보편적이고 조작이 간단한 고품질의 단일세포 ChIP-seq 기술이 결핍하다. 해당 기술 어려움을 해결하기 위해 연구팀은 다양한 실험 전략을 이용하여 CoBATCH 및 sc-itChIP라고 부르는 두 가지 종류의 신형 단일세포 ChIP-seq 기술을 개발했다. CoBATCH는 융합단백질 PAT(Protein A-Tn5)를 이용해 항체와 결합된 특정 게놈 영역을 식별하고 절단할 수 있을 뿐만 아니라 조합 바코드 표지 단일세포 기술을 결합하여 고투과성 단일세포 포획을 달성할 수 있다. sc-itChIP는 Tn5를 이용해 게놈을 균일하게 절단한 후 면역침강을 통해 표적 게놈 단편을 축적할 수 있다. 연구팀은 CoBATCH 단일세포 기술을 이용해 최초로 생쥐 배아 10개 서로 다른 기관(심장, 간, 폐, 좌뇌, 우뇌, 후뇌, 신장, 피부, 근육 및 소장)의 내피세포계보 발육, 분화 및 기능 이질성을 해석했다. 또한 단일세포 itChIP 및 단일세포 전사체 데이터를 통해 심장 줄기세포가 심근 및 내피세포 방향으로 분화되는 과정에서 세포 유형 특이성 증폭자(Enhancer)가 세포운명 결정을 조절하는 메커니즘을 규명했다. 연구팀은 고투과성 샘플의 단일세포 ChIP-seq 기술-CoBATCH을 개발함과 아울러 itChIP 기술도 개발하여 초기량이 수십 개밖에 안 되는 단일세포 샘플 포획에 이용함으로써 희소성 세포 샘플(예를 들어 이식전 배아 등)의 후성적 조절 이질성 연구에 새 기술 방법을 제공했다. 해당 두 가지 종류의 단일세포 ChIP-seq는 세포운명 결정 등 가장 본질적인 발육 생물학적 문제 해결 및 복잡한 질병 발생 과정 해석에 강유력한 기술 방법을 제공할 전망이다.

알츠하이머병 개선 방법 발견

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최근 푸단(复旦)대학 신경생물학 국가중점연구실 자오빙차오(赵冰樵) 연구팀과 중국과학원 강자기장과학센터 중카이(钟凯) 연구팀은 3년간 공동 연구를 통해 알츠하이머병(노인성 치매라고도 함)의 새로운 발병메커니즘을 발견했다. 해당 성과는 "ADAMTS13, 뇌혈관 완전성 유지를 통해 알츠하이머병 병리 개선"이라는 제목으로 "PLoS Biology"에 온라인으로 게재되었다. 알츠하이머병은 서서히 발병하는 신경계통 퇴행성 질병으로서 주로 인지기능 저하, 정신적 증상과 행동 장애로 나타난다. 전 세계적으로 약 5천만 명이 알츠하이머병을 앓고 있으며 가정과 의료보건 시스템에 막중한 부담을 준다. 알츠하이머병의 특징 중 하나는 뇌내 "노인반" β-아밀로이드(Aβ)의 과잉축적으로 인한 심각한 기억력 감퇴로서 현재 세계적으로 효과적인 치료 방법이 없다. 연구팀은 뇌내의 "ADAMTS13"라 불리는 유전자는 일종의 금속단백질분해효소로서 뇌졸중 및 심근경색에 대한 보호 작용을 하며 해당 유전자를 녹아웃할 경우 알츠하이머병모델생쥐의 뇌혈관장벽이 조기 파괴된다는 것을 발견했다. 뇌혈관장벽의 파괴는 연령의 증가에 따라 더 심해져 뇌모세혈관 감소와 뇌혈류감소를 초래하여 결국 뇌내 "노인반" Aβ의 혈관청소 장애와 기억력 감퇴를 초래한다. 반대로, 생쥐 뇌내의 "ADAMTS13" 유전자 함량을 증가시킬 경우 뇌혈관장벽 보호를 통해 뇌내 모세혈관수와 뇌혈류를 증가시키고 뇌내 Aβ제거를 촉진할 수 있다. 아울러 생쥐의 인지기능 장애를 뚜렷하게 개선시킨다. 해당 연구에 의하면, "ADAMTS13"은 Aβ의 뇌혈관장벽 제거 증가를 통해 알츠하이머병 발병에서 핵심 역할을 함을 규명하였다. 또한 알츠하이머병 병리 메커니즘에서의 혈관 요인의 역할이 뚜렷이 입증되었다.

저온 플라즈마 기술을 이용한 항생제 처리 기술 성과

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최근, 중국과학원 허페이물질과학연구원 기술생물연구소 황칭(黄青) 연구팀은 안후이 화펑(华丰)친환경에너지절감과기유한회사와 공동으로 저온 플라즈마 폐수처리 기술을 개발함과 아울러 자체 개발한 의료폐수처리 설비로 오존을 생산하고 퀴놀론항생제를 비롯한 노르플록사신에 대한 분해처리를 했다. 또한, 표면강화라만분광법을 이용하여 노르플록사신에 대한 분해 효율과 메커니즘을 연구했다. 해당 성과는 "Chemosphere"에 발표되었다. 제약산업, 양식업 및 병원에서 배출되는 오폐수는 다양한 내화성 유기물 및 세균과 바이러스뿐만 아니라 대량의 항생제도 포함된다. 항생제를 포함한 이러한 폐수는 처리를 거치지 않고 기준미달 상태로 환경 수역에 배출되어 박테리아 내성 증가를 초래하고 생태평형에 심각한 영향을 미치며 또한, 인체 건강에 잠재적인 위협과 위험을 초래한다. 따라서 친환경적이고 고효율적인 새 항생제 폐수처리 기술과 설비 개발이 시급하다. 기존 연구팀은 저온 플라즈마 기술을 이용한 노르플록사신 분해처리 방안을 제한하였고 또한 처리 과정에서 오존의 분해효과가 뚜렷하다는 것을 발견했다. 오존의 노르플록사신 분해 메커니즘에 대한 심층적 연구 결과, 플라즈마가 생성한 오존은 노르플록사신을 신속 분해할 수 있고 또한 오존의 노르플록사신에 대산 산화분해는 주로 탈플루오르 반응, 카르복실기와 퀴놀론계 단열에서 나타났다. 저온 플라즈마를 이용한 오존 생산은 경제적이고 실용적이며 사용이 편리하고 친환경적이며 2차오염이 없고 실용성이 높다. 또한, 고효율적인 폐수처리 기술을 개발하고 플라즈마 의료폐수 처리기술의 응용과 발전을 추진함에 있어서 중요한 의미를 가진다. 해당 연구는 저온 플라즈마 기술의 환경 분야에서의 응용을 개척하였고 관련 기술과 설비도 시장 추진 단계에 있다.

중국과학원, 전기가수분해 수소제조 기술연구 진전 취득

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최근, 중국과학원 다롄화학물리연구소 기초국가중점실험실·태양에너지연구소 리찬(李灿) 연구팀이 개발한 차세대 전기가수분해 촉매가 쑤저우 징리 수소생산설비유한회사 및 커크렐-징리(쑤저우)수소에너지기술유한회사에서 제조한 규모화 알칼리성 전기가수분해 수소제조 파일럿 테스트 데모 엔지니어링 설비에서 안정적인 운행을 실현했다. 정격 작동조건에서의 장시간 운행 검증 결과, 전기가수분해 수소제조 전류 밀도가 4000A/m2로 안정적일 경우, 단위 수소제조 에너지소모는 4.1kWh/m3H2이하이고 에너지효율값은 86% 이상이며 전류밀도가 3000A/m2로 안정적일 경우, 단위 수소제조에너지소모는 4.0kWh/m3H2이하이고 에너지효율값은 88% 이상이다. 이는 현재 알려진 규모화 전기가수분해 수소제조의 최대효율이다. 태양에너지 등 재생에너지를 이용한 물분해에 의한 수소제조는 친환경 수소경제를 달성하는 유일한 방법이며 또한 미래 수소원료 전지의 수소에너지원 발전 방향이다. 태양에너지 등 재생에너지를 화학에너지로 전환하여 저장하는 핵심 단계는 가수분해(광가수분해와 전기가수분해)과정이다. 그중, 전기가수분해 수소제조 기술은 비교적 성숙되었고 이미 산업화 응용되었다. 그러나, 전기가수분해 수소제조 에너지 전환효율은 오랫동안 50-70% 사이에 머물고 있으며 전기가수분해 코스트가 고가로 행진하는 주요 원인이다. 해당 프로젝트의 진전은 수소에너지 분야의 발전과 수소에너지 경제 실현을 위하여 중요한 과학적 및 실제적 의의가 있다. 차세대 전기촉매는 1000M3/시간의 전기가수분해 수소제조 장비에 설치될 계획이다. 또한 란저우(兰州)신구 1000톤급 태양광연료 산업화 시범 엔지니어링 프로젝트에 응용되어 대규모 산업 전기가수분해 수소제조 설비의 에너지소모를 15% 이상 낮추어 전기가수분해 수소제조 산업의 에너지효율을 향상시킬 예정이다. 또한 생산원가를 대폭 낮추어 대규모 전기가수분해 산업화 달성을 추진할 전망이다.

중국과학원, 보하이 갈조 대발생 유래종 규명

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최근, 중국과학원 해양연구소 탕잉중(唐贏中) 연구팀은 보하이(渤海) 갈조(Brown water) 유발종에 대한 역사추적 및 생물지리학적 연구를 통해 갈조는 "외래 침입종에 의하여 유발되었다"는 가설을 뒤집었다. 해당 성과는 "Molecular Ecology"에 온라인으로 게재됐다. 갈조는 수산양식 및 생태계에 막대한 파괴를 초래하는 유해조류이다. 하지만 그 형성 원인에 대한 관점은 일치하지 않다. 해당 연구는 2009년 후 중국 보하이 해역 패류 양식업 및 생태계에 막대한 손실을 초래한 갈조에 초점을 맞추었으며 또한 최초로 갈조 유발종 유레오코커스 아노파게페렌스(Aureococcusanophagefferens)의 생활사 중에 휴면체 단계가 존재함과 아울러 해양 퇴적물에서 장기간 생존함을 입증했다. 갈조는 주로 2~3종 미세조류에 의해 유발된다. 그 중에서 갈조를 가장 흔히 유발하고 유발 규모가 가장 크며 또한 갈조 대발생에 가장 관심사로 떠오르고 있는 조류는 유레오코커스 아노파게페렌스이다. 중국은 미국, 남아프리카 다음으로 3번째 갈조 대발생 국가이다. 2009년 후 친황다오(秦皇島) 해역에서 여러 차례 발생한 갈조는 당지 수산양식업에 막대한 경제적 손실을 초래함과 아울러 생태계에 중대한 파괴성 영향을 초래했다. 연구팀은 유레오코커스 아노파게페렌스는 보하이 해역에서 적어도 1,500년 동안 생존했으며 또한 중국 남쪽의 남사군도로부터 북쪽의 베이다이허(北戴河), 단둥(丹東) 및 중국 4대 해역의 연안 양식 지역에 이르는 수심 3,450m 외해(Open sea)에 광범위하게 분포되어 있음을 발견했다. 해당 결과는 유레오코커스 아노파게페렌스가 북반구에서의 분포 기록을 남쪽으로 적어도 1,700Km 확장시켰다. 이로써 보하이 갈조는 외래 침입종에 의하여 유발된다는 가설을 뒤집었다. 유레오코커스 아노파게페렌스는 전세계 많은 해양에 광범위하게 분포된 종으로서 휴면체 생성은 해당 종의 전세계 분포 및 갈조 연별 재발생을 초래하는 주요 원인으로 추정된다. 해당 결과는 갈조 유발종 유레오코커스 아노파게페렌스의 "종의 유래" 및 전세계 지리적 본포 패턴을 인식하는데 도움을 줄 뿐만 아니라 갈조 대발생 원인을 심층적으로 연구하는데 중요한 과학적 근거를 제공했다.

2차 재열 발전기술 분야에서 세계선도

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최근, 중국국가에너지투자그룹 쑤쳰(宿遷)회사(이하 쑤쳰회사로 약칭)의 660MW 초초임계 2차 재열(Reheat) 발전장치 프로젝트 점화에 성공했다. 2019년 8월 28일까지 해당 프로젝트의 2대 발전장치의 발전량은 22.67억 kWh에 달했다. 해당 발전장치의 발전 석탄 소비량은 ≤256g/kWh, 발전효율은 ≥48%이고 환경지표는 세계 최고 수준에 도달했다. 해당 프로젝트의 2차 재열 탑식 보일러, 고효율 증기터빈 및 맞춤형 부속 설비, 지능형 발전 제어 시스템, 선진적인 친환경 설비 등 핵심 기술은 독자적 활용을 구현했다. 이는 중국의 고효율 유연성 2차 재열 발전 기술이 세계 앞자리를 차지했음을 의미한다. 석탄 생산/소비 및 전력(Electric power) 수요가 세계 1위인 중국의 화력발전 기술은 21세기에 들어서서 지속적인 발전을 거듭했다. 2004년, 중국은 60만 kW 초임계 발전소를 구축했고 2006년, 100만 kW 초초임계 발전소를 구축했으며 2015년, 100만 kW 초초임계 2차 재열 발전소를 구축했다. 예측에 의하면 2030년 및 2050년에 이르러 중국의 총 1차 에너지 소비에서 석탄이 차지하는 비율은 50% 및 40%로 하강될 전망이다. 다시 말해서 중국의 에너지 구조에서 석탄의 지배적 위치는 변화지 않으며 화력발전 기술은 중국에서 도태되지 않을 전망이다. 초초임계 발전장치는 더욱 높은 증기 온도 및 압력을 기반으로 하기에 준임계 열효율이 5%~7% 향상되고 2차 재열 기술을 적용한 후 열효율을 2%~3% 더한층 향상시킬 수 있다. 더욱 높은 열효율은 더욱 적은 석탄 소비 및 오염물질 배출을 의미한다. 2015년, 중국궈뎬(國電)그룹회사 장쑤(江蘇)타이저우(泰州)발전소 2단계 2차 재열 시범 프로젝트가 생산에 들어감으로써 전력공급 석탄소비가 세계 동일 유형 장치에 비하여 13.7g/kWh 감소되어 중국이 해당 분야에서 선도적 지위를 차지하는데 기반을 마련했다. 하지만 2차 재열 발전장치는 비교적 큰 부하 변화 범위에서 경제적 운행 보장 및 피크기 조절 능력이 부족한 문제점이 존재한다. 따라서 "고효율 유연성 2차 재열 발전장치 개발 및 프로젝트 시범"은 중국 "13차 5개년" 계획의 중점 연구개발 계획으로 선정됐다. 2016년 10월부터 궈뎬(國電)그룹은 화베이(華北)전력대학, 화둥(華東)전력설계원, 상하이전기(電氣)그룹 등 14개 기관과 공동으로 평균 연령이 39세인 148명으로 구성된 연구팀을 구축하여 2차 재열 발전 기술 연구를 수행했다. "유연성" 및 "고효율"을 구현하려면 보일러, 증기터빈, 시스템 설계 및 제어 시스템 최적화 등 핵심 기술을 파악해야 한다. 기존의 재료로 보일러 출구 증기 파라미터의 32.24MPa(a)/605℃/623℃/623℃ 도달은 한계점이다. 쑤쳰회사는 탑식 보일러를 채택함과 아울러 보일러 핵심 기술 파악을 통해 전열면(Heating surface) 배치를 최적화하고 온도 편차를 감소시킴으로써 광범위 부하 범위에서의 장기간 설계 파라미터 도달을 구현했다. 연구팀은 또한 2차 재열 발전장치의 고효율 열공급 핵심 기술을 파악했고 최초로 화력발전 분야에서 "증기-전기 더블드라이브(Steam-electric double drive)" 흡출 송풍기(Induced draft fan) 고효율 유연성 열공급 기술을 응용함으로써 대형 발전장치에 작은 보일러로 열공급하는데 양질적인 방안을 제공했다. 이외에도 연구팀은 2차 재열 발전장치의 불충분한 온도 조절 등 핵심 기술을 파악함과 아울러 역가열, 진공, 바이패스(Bypass), 주파수 변조 등 일련의 혁신 기술을 통합하여 최적화함으로써 발전장치의 쾌속 구동/정지, 심층적 피크기 조절, 고효율 유연성 등 핵심 지표를 구현했다. 쑤쳰회사의 고효율 유연성 2차 재열 기술은 완전한 자체 지식재산권을 보유하고 있으며 세계 선진 수준에 도달했다. 또한 정보 및 제어 시스템의 완전한 독자적 활용을 구현함과 아울러 최초로 석탄화력발전 분야에 지능형 발전 기술을 적용함으로써 2대의 66만 kW 발전장치의 운전을 제어하는데 10명의 인력이면 충분하고 전력망의 실시간 피크기 조절 요구도 만족시킬 수 있다. 연구팀은 지능형 발전 운행 제어 시스템(ICS) 및 지능형 발전 공공서비스 시스템(IMS)의 구조 및 기본 기능에 대한 심층적 개발 및 검증을 기반으로 4대 지능형 제어, 6대 지능형 관리 및 7대 지능형 센터를 구축하여 ICS 시스템이 운영된 후 해당 프로젝트의 고효율 운행, 선진적 제어, 지능형 모니터링 및 진단에 유력한 지원을 제공함으로써 발전장치 성능의 충분한 발휘를 보장하는 조건에서 일상 조작 작업량을 60%이상 효과적으로 감소시켰다. 현재 중국의 화력발전 설계, 장비 제조, 운영 유지보수 관리 등 기술은 세계 선진수준에 도달했으며 친환경 오염물질 배출도 세계 최고 수준에 도달함으로써 연도가스 탈황/탈질/먼지 초저배출, 탈황폐수 무배출, 고체폐기물 100% 재활용을 구현했다.

중국이 자체로 개발한 첫 F급 50 MW 중형 가스터빈 운전

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2019년 9월 27일, 시안(西安)교통대학 왕톄쥔(王鐵軍) 연구팀이 참여해 개발한 중국 첫 F급 50 MW 중형 가스터빈 전체 장치 점화 테스트-둥팡전기(東方電氣)그룹 둥팡가스터빈유한회사 가스터빈 테스트 베드가 본격 가동됐다. 중형 가스터빈의 8개 연소 실린더는 동시에 점화/연소됨과 아울러 안정하게 운전됐다. 이는 중국이 중형 가스터빈을 자체로 개발하여 제조할 수 있는 기술을 파악했음을 의미한다. 연구팀은 기초이론 연구를 기업 실천에 융합시켜 첨단 중형 가스터빈 고온 블레이드의 냉각 설계, 방향성 결정 성장, 열차폐 코팅층 제조, 정밀가공 등 핵심 기술을 파악하고 고온 블레이드 종합 냉각효과 실험 시스템을 구축함으로써 중형 가스터빈 고온 블레이드 제조 및 실험 검증 능력을 기본적으로 형성했다. 뿐만 아니라 첨단 중형 가스터빈 조합로터 설계이론을 체계적으로 구축했고 중형 가스터빈 3급 터빈 극간 결합 테스트 베드, 풀사이즈(Full size) 베어링 테스트 베드 등 일련의 중대 테스트 시스템을 구축했으며 중형 가스터빈 조합로터 제조 및 실험 검증 능력을 기본적으로 형성했다. 연구팀은 또한 중국 첫 가스터빈 제조 관련 일련의 전문 저서를 출간했다.

둥베이대학, 고인성 경량화 자동차강 신기술 개발

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최근 둥베이대학 압연기술·연속압연자동화 국가중점실험실 이훙량(易红亮) 연구팀은 이론·기술적 문제를 전부 해결한 자동차강 고인성 Al-Si 코팅 신기술을 자체적으로 개발해 인성을 20%~30% 향상시키는 성과를 거두어 자동차 경량화 발전에 중대한 기여를 하였다. 기존의 Al-Si 코팅 자동차강판은 금형 보호, 부품 치수 정밀도, 내식성 등 면에서 우수한 성능을 보이지만 인성 부족 결함이 매우 심각하다. 인성 부족은 자동차 충돌 안전재의 고장균열을 직접적으로 초래한다. 인성 부족 문제의 해결은 자동차 도어의 안전빔, 범퍼(bumper), B 필러(pillar) 등 안전구조재의 안전성을 더한층 강화시킬 수 있는 핵심이다. 연구팀은 Al-Si 코팅 강판의 오스테나이트(austenite) 가열 과정에서 22MnB5 기초소재 및 확산층 계면 부근에 대량 탄소 축적이 발생하며 또한 냉각 과정에서 고탄소 마텐자이트(martensite)가 형성됨을 발견하였다. 이렇게 형성된 고탄소 마텐자이트층의 매우 낮은 인성이 Al-Si 코팅 제품의 인성을 뚜렷이 감소시킨다. 상기 이론 발견에 기반해 연구팀은 코팅층 및 기초소재 합금 성분을 변화시키지 않는 조건에서 "코팅층 두께 감소" 및 "가열공법 최적화"를 동시에 구현해 Al-Si 코팅 제품의 인성을 크게 향상시킴으로써 굽힘 균열 변형을 대폭 개선했을 뿐만 아니라 지연균열 위험도 대폭 낮추었다. 해당 신기술 개발에 힘입어 산업계는 관련 이론을 실용기술로 신속히 전환시킴과 아울러 고인성 Al-Si 코팅 핫스탬핑강 제품의 대량 산업화 시제작을 달성했다. 해당 신소재의 강도는 기존 재료와 동일한 수준에 도달하면서 인성을 높일 수 있어 자동차 부품 안전성능 향상에 일조할 전망이다. 이론적 혁신으로 자체 지식재산권을 창출한 해당 기술은 중국 발명특허를 획득하였고 현재 국제특허 출원 중이다. 동 기술의 산업화는 세계 300만 t(중국이 약 100만 t 차지) 이상 규모의 시장에 중요한 영향을 미칠 전망이다.

세계 최대 길이 해협을 가로지르는 도로-철도 양용 대교 구축

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2019년 9월 25일 10시 28분, 무게가 473t인 연결 구간 스틸 트러스 거더(Steel truss girder)를 크레인으로 설계 위치까지 상승시킴과 아울러 양측의 이미 가설한 스틸 트러스 거더 구간과의 정밀 연결을 완료함으로써 핑탄해협(平潭海峽) 도로-철도 양용 대교 3개 채널 브리지(Channel bridge) 중 하나인 구위먼(鼓嶼門) 채널 브리지가 성공적으로 연결됐다. 이는 현재 세계에서 시공 어려움이 가장 큰 세계 최대 길이 해협을 가로지르는 도로-철도 양용 대교이며 중국 첫 해협을 가로지르는 도로-철도 양용 대교이다. 핑탄해협 도로-철도 양용 대교의 전체 길이는 16.34km이다. 해당 대교가 위치한 타이완해협(臺灣海峽)은 세계에서 유명한 3대 폭풍우 해역에 속하며 거센 바람, 높은 파도, 세찬 물살, 단단한 암석 등 복잡한 해역환경으로 파력(Wave force)은 창장(長江) 등 내륙하(Inland river)의 10배 이상에 달하기에 "교량건설 불가능 지역"으로 불린다. 핑탄해협 도로-철도 양용 대교 건설 과정에서 중철대교국(中鐵大橋局)은 열악하고 복잡한 해양 환경 조건에서의 교량 건설 어려움을 성공적으로 해결했으며 혁신적으로 중국 최초로 새 구조, 신소재, 신공법, 새 장비를 개발 이용했다. 예를 들어 최초로 사장교 2개 구간 사이에 전체 용접 스틸 트러스 거더 구조, 그리고 80m 및 88m 전체 지간 전체 용접 스틸 트러스 조합 거더 구조를 이용했고 최초로 복잡한 해역에서 체계적으로 바람, 파랑, 물살 등에 대한 모니터링 예보를 수행했으며 해협 환경 교량 딥워터 기초(Deep water foundation) 구축 기술, 강풍 환경에서의 높은 탑 시공 기술, 스틸 트러스 거더 전체 용접기술, 해협 교량 안전 운영 보장 기술 등 분야의 연구를 수행했고 자체로 중국 최대 높이 메인 후크(Main hook) 기반 3,600t 부양식 크레인, KTY5000형 액압 동력 헤드 드릴, 전체 밀폐식 내풍 액압 점핑 프레임워크(Jumping formwork), 해상 교량 가설 장비 등 대형 장비를 개발했다. 이외, 지름이 4.9m인 매입 말뚝(Bored pile) 기초는 세계 최대 말뚝 지름 교량 공사 말뚝으로서 해당 교량 강철 구조에 사용된 강철은 124만 t, 콘크리트는 294만 m3로 지금까지 국내외 교량 최고 수준을 확보했으며 "초대형 교량 공사"로 불리운다. 푸저우(福州)-핑탄(平潭) 철도는 허푸(合福)고속철도의 주요 연장선이다. 핑탄해협 대교는 핵심 제어 공사로서 해당 대교 연결 관통은 베이징에서 푸저우(福州), 핑탄에 이르는 철도를 구축하고 푸저우빈하이신청(福州濱海新城) 및 "자유무역지역-시범구-국제 관광섬" 3대 국가급 전략 통합화 핑탄 종합 실험구 구축을 가속화하여 해협서안경제 발전을 추진하는데 중대한 의미가 있다.

세계해양과기대회, "해양 분야 첨단과학·공학기술 10대 난제" 발표

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2019년 9월 24일 칭다오에서 열린 "해양기술 혁신, 산업발전 선도" 주제의 2019세계해양과기대회에 중국, 호주, 덴마크 등 20개 국가의 약 100명 해양과기 분야 저명 원사·전문가 외 국제기구 대표, 대학 및 과학연구기관의 전문가·학자, 기업 고위층 관리자 및 기술대표 등 700여 명이 참가한 가운데 대회측은 해양 분야 첨단과학·공학기술 10대 난제를 발표했다. 10대 난제는 각각 1) 해양 멀티스케일 에너지 캐스케이드 및 수송, 2) 심해 대양 및 지구 거주적합성(Livability), 3) 해양관측 및 탐사기술, 4) 해양 및 지구시스템 변화 예측, 5) 해안대 지속가능한 발전, 6) 심해 및 지구 생명기원, 7) 해저 다중 권층 상호작용 및 판 섭입(plate subduction), 8) 심해 전략성 광산자원, 9) 변화 중의 극지해양, 10) 대형 심해 프로젝트 안전보장 등이다. 해양학 연구, 지구 거주적합성, 미래 해양관측, 해양자원 개발, 해양공학 발전, 극지해양 연구, 심해자원 이용 등을 망라한 10대 난제는 국가경제와 국민생활과 연관되는 공학기술 문제인 동시에 인류 생존과 발전에 영향을 미치는 기초연구 문제이기도 하다. 10대 난제 발표는 중국의 해양과기 분야 혁신 발전 및 해양강국 건설에 전략적 지원을 제공할 전망이다.

안후이광학정밀기계연구소, 최초로 대기 난류 원위치 탐측 실험 완료

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최근, 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 안후이(安徽)광학정밀기계연구소 대기과학연구센터(이하 대기과학연구센터로 약칭) 우샤오칭(吳曉慶)/뤄타오(羅濤) 연구팀은 칭하이성(青海省) 다차이단(大柴旦) 지역, 시짱자치구(西藏自治區) 라싸시(拉薩市) 등 지역에서 대기 난류 원위치 탐측 및 난류 대기 관측 등 실험을 동시에 수행하여 성공했다. 대기 중의 에너지와 물질교환, 오염물질 수송 및 확산은 대기 난류와 밀접히 관련된다. 기존에 주로 경계층 및 대류층의 난류 특히 동력 난류를 연구했으며 열력 난류에 관한 연구는 적었다. 그리고 근공간 탐측 수단의 결핍 특히 원위치 탐측 수단의 부족으로 근공간 열력 난류가 물질교환 과정에 미치는 영향에 관한 연구는 매우 부족했다. 이번 비행 실험은 경항공기(Aerostat) 플랫폼에서 최초로 다양한 고도 통제 비행 및 광범위 우회 비행을 시행했다. 총 비행시간은 13시간 8분, 최대 비행 고도는 21,625m이며 21~22Km 고도 수평비행 시간은 10시간 16분, 16~17Km 고도 수평비행 시간은 45분이다. 비행 플랫폼 및 대기 난류 원위치 측정 과학 하중은 계획에 따라 전체 비행 및 실험 항목을 완료했으며 데이터 기록이 완정한바 기대 목표에 도달했다. 이로써 제1단계 실험은 원만하게 성공했다. "훙후 특별프로젝트" 실험에서 대기광학연구센터가 자체로 개발한 근공간 대기 난류 원위치 탐측 설비는 경항공기 플랫폼을 이용함과 아울러 고정밀도 미온 어레이를 통해 성층권의 열력 난류강도, 난류 스펙트럼 및 대기안정도 등 데이터를 측정하여 근공간 대기 열력 난류가 물질교환 과정에 미치는 영향을 연구함으로써 근공간 예보 모델의 개선 등에 핵심 데이터 지원 및 과학적 근거를 제공할 전망이다. 이번 실험은 "훙후 특별프로젝트" 2019년 칭짱고원(青藏高原) 지역 첫 대형 실험이며 향후 2차 비행 실험 및 대지 관측 실험을 수행할 계획이다.

윈난천문대, 태양 필라멘트 물질 유래의 물리적 메커니즘 규명

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최근, 중국과학원 윈난(雲南)천문대 푸셴후(撫仙湖)태양관측·연구기지 연구팀은 1m 새로운 진공식 태양망원경(1m New Vacuum Solar Telescope, NVST)의 높은 시공간적 해상도 관측 데이터를 이용해 태양물질 유래 및 전송 과정의 중요한 물리적 메커니즘을 규명했다. 해당 성과는 "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS"에 게재됐다. 태양 필라멘트(Solar filament)는 태양 주변 홍염(Prominence)이 태양 표면에 투영되어 형성된 암흑색 가닥이다. 일부 암흑색 가닥은 극성이 상반되는 국지 자기장의 경계선이며 일정한 정도에서 태양 자기장의 복잡한 구조를 반영한다. 해당 암흑색 가닥의 생성, 발달 및 소실은 일정한 규칙성을 갖고 있지만 단시간 내에 돌발적으로 활성화될 가능성도 있고 더 나아가 돌발적으로 소실될 수도 있다. 태양 필라멘트는 태양 표면에서 가장 선명한 태양활동 현상이다. 태양 암흑색 가닥의 형성 과정은 주로 자기장 구조의 형성 과정 및 암흑색 가닥 물질 유래 등 2개 방면으로 나눌 수 있다. 자기장 구조 형성에 대하여 이미 수많은 연구를 수행했지만 암흑색 가닥 물질 유래에 관한 연구는 비교적 적다. 특히 높은 시공간적 해상도 망원경을 이용한 관측 연구는 매우 적다. 이는 주로 암흑색 가닥 형성 과정이 비교적 느리고 완정한 암흑색 가닥 물질 주입을 관측하기 매우 어렵기 때문이다. 연구팀은 태양 암흑색 가닥 형성 활발 지역 NOAA 11903 중 모 1개 암흑색 가닥의 완정한 형성 과정을 연구했다. 결과, 저온 물질은 암흑색 가닥 남쪽 부분 정점(Station point)에서 분출되어 암흑색 가닥에 주입됨과 아울러 분출 위치에 자기장이 형성되며 또한 저온 분출은 저온 물질을 암흑색 가닥 높이로 끌어올림과 아울러 암흑색 가닥에 물질을 제공함을 발견했다. 이로부터 태양 저층의 소규모 폭발은 암흑색 가닥의 형성에 충분한 물질을 제공함을 추정할 수 있다. 연구팀은 또한 플럭스 발생(Flux emergence)에서 생성된 에너지와 저온 물질의 상승에 수요되는 에너지의 추산 비교를 통해 플럭스 발생에서 생성된 에너지는 물질의 상승에 수요되는 에너지를 제공할 수 있다는 결론을 얻었다.

24비트 고성능 초전도 양자프로세서 개발

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀과 중국과학원 물리연구소 판헝(範桁) 연구팀은 공동으로 24개 비트를 포함하는 고성능 초전도 양자프로세서를 개발함과 아울러 최초로 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 20비트 이상의 고정밀도 양자결맞음 제어를 구현함으로써 양자컴퓨터 개발에서 중요한 성과를 얻었다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 20세기 80년대에 노벨상 수상자 Richard Phillips Feynman 등은 양자중첩 및 양자얽힘 등 2개 기이한 양자특성에 기반한 "양자컴퓨팅" 구축을 제안했다. 제어 가능한 큐비트 수가 증가함에 따라 양자컴퓨팅의 연산능력은 기하급수적으로 상승하면서 전통 전자컴퓨터를 훨씬 초과하는 성능을 달성할 수 있다. 현재 학계는 다양한 기술로드맵으로 양자컴퓨팅을 연구하고 있다. 그중 초전도 양자컴퓨팅은 실용화 가능성이 가장 높은 방안이다. 중국과기대 판젠웨이, 주샤오보(朱曉波), 펑청즈(彭承志) 등 학자는 초전도 양자컴퓨팅 연구에서 일련의 중요한 성과를 얻었다. 2019년만 기존에 달성한 10개 초전도 큐비트 얽힘 기록을 갱신함과 아울러 "양자 랜덤워크(random walk)"도 획기적으로 구현했다. 최근 판젠웨이 연구팀은 중국과학원 물리연구소 판헝 연구팀과 공동으로 시스템 연결성, 판독 효율, 크로스토크 조절 및 정밀도 등 문제와 관련해 반복적인 실험을 통해 칩 구조를 1차원에서 준2차원으로 확장시키는데 성공했다. 또한 24개 비트를 포함하는 고성능 초전도 양자프로세서를 개발함과 아울러 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 "Bose-Hubbard" 사다리 모델 다체 양자시스템에 대한 시뮬레이션을 완성했을 뿐만 아니라 20비트 이상의 고정밀도 양자결맞음 제어도 구현했다. 해당 연구는 초전도 양자칩을 양자시뮬레이션플랫폼으로 선정함에 있어 강한 응용잠재력을 보여주었고, 다중 큐비트시스템을 이용한 다체 물리시스템 연구에 기반을 마련했다.

중국해양대학, 파동-입자 이중성 및 상보성 원리에 대한 이해 추진

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최근, 중국해양대학 구융젠(顧永建) "해양 양자 기술" 연구팀은 토머스 영의 이중 슬릿 실험에서 경로 측정을 도입할 경우 데이비드 봄(David Bohm)의 양자이론에 효과적인 방법을 제공함으로써 실험적으로 광자의 "궤적"을 검증할 수 있음을 발견했다. 해당 발견은 양자역학 기본 문제 연구에 중요한 역할을 일으킴과 아울러 파동-입자 이중성 및 상보성 원리에 대한 이해에 도움이 된다. 해당 연구성과는 "Science" 자매지인 "Science Advances"에 게재됐다. 물리학의 고전적 실험인 토머스 영의 이중 슬릿 실험에서 광자 경로 측정으로 해당 광자가 구체적으로 어느 슬릿을 통과하는 지를 식별할 경우 필연적으로 간섭무늬 가시성을 파괴시킨다. 해당 측정 과정에서 간섭무늬 가시성과 광자의 운동량 변화 사이의 관계에 대한 학술계의 관점은 다양하다. 그 주요 원인은 다양한 운동량 변화량 정의를 사용했기 때문이다. 해당 문제를 심층적으로 연구하려면 더욱 보편적인 방법을 찾아 광자의 운동량 변화를 정량화해야 한다. 데이비드 봄의 양자역학은 해당 문제를 해결하는 효과적인 방법을 제공한다. 데이비드 봄의 양자이론에 의하면 입자는 임의적 시각(Time)에 모두 명확한 위치 및 운동량을 보유하고 있으며 또한 한 가닥의 확정된 궤도에 따라 진화된다고 주장한다. 따라서 입자의 초기 상태가 운동량의 고유 상태가 아닌 상황에서도 입자의 운동량 변화량을 계산할 수 있다. 또한 광자의 평균 궤적을 실험적 약한 측정(Weak measurement) 방법으로 재구성할 수 있다. 데이비드 봄의 양자이론을 기반으로 하고 약한 측정 기술을 이용해 샤오야(肖芽) 연구팀은 전단계에 토머스 영의 이중 슬릿 간섭 장치에서 광자 궤적의 비국소성 영역 유도[Optics Express 25, 14463-14472(2017)]를 달성했다. 해당 논문에서 광자의 궤적을 8.6m 밖으로 심층적으로 재구성했다. 다음으로 오스트레일리아 Howard M. Wiseman가 제안한 데이비드 봄의 운동량 확률 분포를 이용해 경로 탐측 과정 중 양자의 운동량 변화량을 정량화했다. 경로가 있는 조건과 없는 조건에서 측정한 광자 운동량의 비교를 통해 연구팀은 광자의 총운동량 변화량 절댓값은 근거리장에서 매우 작지만 전파 거리의 증가에 따라 증가됨을 관측했는데 이는 운동량의 비국소성 영역에서 누적 과정을 의미한다. 원거리장 조건에서 연구팀은 광자 운동량 변화량 절댓값과 간섭무늬 가시성 사이의 정량화 관계를 심층적으로 입증했다. 실험 결과는 운동량 변화량의 증가에 따라 간섭무늬 가시성은 감소됨을 의미한다.