전량 수입하는 액체헬륨 보다 50배 저렴한 액체질소 이용 가능해져
단단한 구조 및 유연한 구조에서의 수소 동위원소 확산계수 비교/과학기술정보통신부 제공
국내 연구팀이 후쿠시마 원전 사고 이후 버려진 방사성 오염수에 포함돼 있는 방사성 삼중수소를 보다 안전하면서 경제적으로 분리해낼 수 있는 기술의 실마리를 찾아냈다.
과학기술정보통신부는 7일 오현철 경상국립대 에너지공학과 교수, 박지태 뮌헨공대 박사 공동연구팀이 유연한 다공성 소재에서 나타나는 수소 동위원소의 확산속도 차이가 고온에서 더욱 커지는 현상을 규명해냈다고 밝혔다.
수소 동위원소란 수소, 중수소, 삼중수소 등 원자번호는 같지만 원자량이 달라 무게 차이가 있는 원소 군이다.
크기나 모양, 물리·화학적 성질이 매우 비슷해 분리하기가 매우 어렵다.
이중 삼중수소는 후쿠시마 원전 오염수에 포함돼 있는 주요 오염 물질(핵종)로 분리·추출 기술 개발이 시급한 상황이다.
이들이 서로 섞여 있는 물질은 다만 극저온에서 물리적인 차이를 보인다.
수소 동위원소를 분리하는 방법으로는 동위원소의 무게차를 이용한 ‘운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving Effect)’ 분리가 있다.
저온에서 무거운 동위원소가 가벼운 동위원소보다 더 빠르게 확산되기 때문에 다공성 소재를 이용해 마치 체로 거르는 것(Sieving)처럼 삼중수소를 분리 해낸다.
문제는 이런 현상이 일어나는 온도가 영하 254도의 극저온이라 고가의 액체 헬륨을 사용해야 하는 만큼 대량 오염수 처리에는 경제성 때문에 적용하기 어렵다는 한계가 있다.
일본 정부는 이로 인해 후쿠시마 오염수의 처리를 사실상 포기한 채 삼중 수소의 위험성을 부인하면서 바다로 방류하겠다는 입장을 보이고 있다.
연구팀은 금속과 유기물로 만든 유연한 구조의 다공성 소재(플렉서블 금속-유기 골격체)를 개발했다.
새로운 다공성 소재에서는 액체헬륨보다 60도 가량 높은 액체질소 온도(영하 196도)에서도 수소와 중수소의 확산속도가 3배 이상 차이 났다.
다공성 소재의 구조적 유연성과 동위원소에 대한 선택적 반응이 이 같은 현상을 가능하게 했다.
수소와 중수소가 기공 안으로 들어가면서 구조가 1차로 확장되고, 이후 유연구조가 중수소에만 선택적으로 반응하면서 2차 확장이 일어난다.
이때 생기는 여분의 공간이 중수소에만 확보되면서 중수소의 확산속도가 더 빨라지는 원리였다.
액체질소는 전량 수입에 의존하는 액체헬륨에 비해 가격이 최소 50배 저렴하며, 국내 공급도 가능해 훨씬 경제적이다.
연구팀은 이번 연구의 성과가 향후 실용적인 수소 동위원소 분리기술 개발의 단초가 될 수 있을 것으로 전망하고 있다.
다만 높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 것으로 후쿠시마 오염수와 같은 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리를 위해서는 추가적인 검증이 필요하다는 입장이다.
오현철 교수는 “당장은 현재 액체헬륨을 활용해 영하 249도의 초저온 증류법을 적용하고 있는 핵융합 발전 동위원소 분리시스템을 196도의 동위원소 분리시스템으로 대체할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 표지논문/오현철 교수 제공
이번 연구는 신소재분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 표지논문으로 선정돼 7일 온라인 게재됐다.
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