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국내 연구진, 후쿠시마 오염수 정화 위한 삼중수소 분리기술 실마리 규명

수소 동위원소 분리 가능 온도 60℃ 높여
학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 7일 게재

  • 기사입력 : 2021년04월07일 00:00
  • 최종수정 : 2021년04월07일 00:00
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[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 일본 후쿠시마 원자력발전소의 방사능 오염수를 정화할 수 있는 삼중수소 분리기술의 실마리를 국내 연구진이 규명했다.

과학기술정보통신부는 오현철 경상국립대 교수와 박지태 뮌헨공대 박사가 참여한 공동연구팀이 유연한 다공성 소재에서 나타나는 수소 동위원소의 확산속도 차이가 고온에서 더욱 커지는 현상을 규명해냈다고 7일 밝혔다.

이를 통해 수소 동위원소 분리공정 온도를 종전 연구되던 액체헬륨 온도(영하 254℃)에서 액체질소 온도(영하 196℃)까지 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.

상대적으로 높은 온도에서 구조 변화가 발생해 중수소 확산이 빨라지는 현상을 보여주는 이미지. [자료=과학기술정보통신부] 2021.04.06 biggerthanseoul@newspim.com

그동안 동일 원소라도 중성자가 더 많아 무거운 동위원소가 다공성 물질 안의 좁은 공간을 가벼운 동위원소보다 더 빠르게 확산하는 성질을 이용해 마치 체로 거르듯 동위원소를 서로 분리하는 방식이 연구됐다.

이럴 경우, 영하 254℃ 수준의 극저온에서만 처리를 할 수 있을뿐더러 고가의 액체헬륨이 필요해 연구가 쉽지 않았다.

다만, 연구팀이 이번에 제안한 유연한 구조의 다공성 소재에서는 액체헬륨보다 60℃ 가량 높은 액체질소 온도(영하 196℃)에서 수소와 중수소의 확산속도 차이가 3배 이상이 되는 것으로 확인됐다.

단단한 구조의 다공성 소재는 액체 질소 온도에서 수소와 중수소의 확산속도 차이가 없다보니 분리가 어려웠다. 이번 연구에서는 금속과 유기물로 된 다공성 소재의 구조적 유연성과 동위원소에 대한 선택적 반응이 있었던 것으로 알려졌다.

수소와 중수소가 기공 안으로 들어가면 구조가 1차적으로 확장되고, 이후 중수소에 의해서만 유연구조가 선택적으로 반응해 2차 확장이 일어난다. 이때 여분의 공간이 중수소에만 확보돼 이동속도가 더 빨라지게 된다는 얘기다.

오현철 교수는 "현재 후쿠시마 원전에 사용된 냉각수에는 방사성 삼중수소(반감기 12.4년)가 포함돼 있으나 현재까지 개발된 오염수 내 삼중수소 처리기술은 경제성이 낮아 일본은 오염수를 희석해 바다로 방류하는 방식을 살펴보고 있다"며 "이번 연구 성과를 통해 실용적인 수소동위원소 분리기술이 개발되는 단초가 될 수 있을 것"이라고 강조했다.

높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 만큼 후쿠시마 오염수와 같은 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리에 대한 추가적인 검증이 필요한 것으로 알려진다.

이번 연구성과는 신소재분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 표지논문으로 선정돼 한국시간 기준 7일 0시 온라인에 게재됐다.

biggerthanseoul@newspim.com

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