일본산업뉴스요약

약 2만 개의 센서를 지지하는 리프팅 구조
닛켄설계, 돔 구조를 설계

세계 최대 규모의 지하 실험 시설이 될 ‘하이퍼 카미오칸데’의 심장부인 대수조와, 안쪽의 센서를 지지하는 가구(架構)를 설계한 것은 닛켄설계다. 차원이 다른 스케일에 대응하기 위해 구조를 중심으로 몇 가지 아이디어를 냈다.

지하 약 600m 지점에 완공되는 거대한 수조. 그 안쪽을 약 2만개의 센서가 가득 채운다.

하이퍼 카미오칸데의 대형 수조와, 관측의 핵심인 센서를 지지하는 가구는 닛켄설계가 설계했다. 닛켄설계는 현재 가동하고 있는 ‘슈퍼 카미오칸데’의 수조 등도 설계한 실적이 있다.

설계를 주도한 닛켄설계 그룹의 고노(河野) 다이렉터는 “초대 카미오칸데와 2대 슈퍼 카미오칸데를 참고해 설계했다. 다만 유례없는 크기로 스케일의 차원이 다르다. 미지의 영역에 대한 도전이었다”라고 회상한다.

하이퍼 카미오칸데의 수조는 지름 68m, 높이 72m다. 슈퍼 카미오칸데 수조가 지름 39m, 높이 42m였으니, 이번 하이퍼 카미오칸데의 지하 공간은 대폭 커졌다. 수조 등의 시설은 건축기준법상의 건축물에 해당하지 않고 지하 공작물로 취급한다.

“수조의 스팬(지름)이 길어지면 부재가 쉽게 휘어지고, 높이가 높아질수록 휘어질 위험도 커진다. 그래서 슈퍼 카미오칸데의 구조를 단순하게 확대할 수는 없었다”(고노 다이렉터).

하이퍼 카미오칸데에서는 스테인리스로 제작된 수조의 안쪽에 센서를 부착하기 위한 뼈대 구조인 ‘가구(架構)’가 필요하다. 이 가구에는 매우 많은 수의 센서가 설치될 예정이다. 내부에는 주요 검출기 역할을 하는 대형 센서를, 외부에는 노이즈가 될 빛을 감지하는 소형 센서를 배치하는 구조로 설계되어 있다.

-- 수조 상부는 돔 구조로 --
구조 설계를 담당한 닛켄설계 엔지니어링부문의 이마에다(今枝) 다이렉터는 “구조 설계에서 포인트가 된 것은 주로 2개다. 첫 번째는 센서를 부착하는 가구의 지지 방법이다”라고 설명한다.

센서를 부착하는 가구는 슈퍼 카미오칸데에도 존재한다. 슈퍼 카미오칸데에서는 수조 측면의 가구를 수조 바닥에서 기둥처럼 지지하는 구조였다.

반면에 하이퍼 카미오칸데에서는 상부에서 가구 전체를 매달아 내리는 구조로 했다. 매다는 구조로 함으로써 압축력이 작용하지 않아, 부재가 휘어질 가능성이 없어지기 때문이다. 매다는 부분은 설치 예정인 센서를 포함해 약 1700톤에 달한다.

“또 다른 아이디어는 수조 상부의 모양이다”(이마에다 다이렉터). 스팬 약 40m의 슈퍼 카미오칸데에서는 수조 상부를 평행 트러스 구조로 했었다.

“스팬 약 68m인 하이퍼 카미오칸데의 규모에서는 다른 가구가 적합하지 않을까 생각했다”(이마에다 다이렉터). 그래서 채택한 것이 내구성이나 구조 안정성을 확보하는 돔 가구다. 돔 부분은 물에 닿지 않기 때문에 부재에는 철골을 사용해, 치솟는 자재비를 줄였다.

계획 구상 단계인 2015년에는 지하 공동 굴착이 쉽다는 이유로, 가로로 긴 달걀 모양의 수조 2개를 나란히 놓는 방안도 검토했던 것으로 알려졌다. 하지만 센서를 부착하는 가구의 구조 설계가 어려워 실현 가능성이 낮다고 판단해 지금의 모양을 채택했다고 한다.

-- 확장을 염두에 두고 전체 배치 --
닛켄설계는 수조뿐만 아니라 하이퍼 카미오칸데 내부에 정비 예정인 순수(純水) 제조장치실이나 실험 설비를 감시하는 제어실 등 시설 전체의 배치 계획도 마련했다. 한정된 부지 내에 여러 시설을 효율적으로 배치하기 위해 공을 들였다.

시설 배치를 담당한 닛켄설계 그룹의 구로사와(黒澤) 씨는 “하이퍼 카미오칸데에서는 미래의 확장성을 고려한 공동(空洞)의 마스터 플랜이 특징이다”라고 말한다. 순수 제조장치실의 확장을 염두에 두고 전체 배치를 계획. 첫 번째 순수 제조장치실 옆에 증설할 수 있도록 했다.

고감도로 뉴트리노를 관측하기 위해서는 순수 관리가 필수다. 물은 지속적으로 순환되어야 하며, 관측을 계속하기 위해서는 막대한 양의 순수가 필요하다. 발주처인 도쿄대학 우주선연구소에서 가미오카 우주소립자연구시설장을 맡고 있는 시오자와 교수는 “앞으로는 순수 제조장치실을 확장할 가능성도 충분히 있다”라고 밝혔다.

2025년 여름부터는 수조를 비롯한 구조물의 시공이 시작되었다. 시공은 구마가이구미가 담당한다. 수조 내부에 설치하는 센서는 먼저 하부에서 가구에 부착한 뒤, 상부로 이동시켜 순차적으로 설치해 나간다.

하이퍼 카미오칸데의 관측 개시까지 3년이 남았다. 건축과 토목의 기술력을 집결시켜 세계 최첨단 연구 거점을 만드는 도전은 지금도 계속되고 있다.

■ 하이퍼 카미오칸데

• 소재지: 기후현 히다시 가미오카초
• 사업자: 도쿄대학
• 관측 개시 시기: 2028년
• 총 사업비: 약 649억엔

[굴착공사]
• 설계자: 도쿄전력설계
• 시공자: 가지마

[수조]
• 구조: 스테인레스 수조, S조
• 설계자: 닛켄설계
• 시공자: 구마가이구미

 -- 끝 –

Copyright © 2025 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.