후쿠시마 오염수 정화 기술 국내 연구진이 찾았다

오현철 경상국립대 에너지공학과 교수, 박지태 뮌헨공대 박사 공동연구팀이 규명한 유연소재 내 수소동위원소 확산 기작이 신소재분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 표지논문으로 선정돼 7일 온라인 게재됐다. /자료=오현철 경상국립대학교 교수

국내 연구진이 후쿠시마 원전 사고 이후 버려진 방사성 오염수에 포함돼있는 방사성 삼중수소를 보다 안전하고, 경제적으로 분리해낼 수 있는 단서를 찾았다.

과학기술정보통신부는 7일 오현철 경상국립대 에너지공학과 교수, 박지태 뮌헨공대 박사 공동연구팀이 유연한 다공성 소재에서 나타나는 수소 동위원소의 확산속도 차이가 고온에서 더욱 커지는 현상을 규명해냈다고 밝혔다.

유연한 다공성 소재로 수소동위원소 분리되는 온도 높여…액체헬륨→액체질소 대체시 비용 최소 50배 절감

수소 동위원소는 크기나 모양, 물리·화학적 성질이 매우 비슷해 분리하기 어려운 특징이 있다. 일본 후쿠시마 원전 사고로 발생된 오염수에는 인체에 유해한 것으로 알려진 방사성 삼중수소가 포함돼있는데, 일본은 삼중수소 분리 기술의 한계 등을 이유로 오염수를 희석시켜 바다로 방류하는 계획을 세우고 있다.

수소 동위원소를 분리하는 기법으로는 동위원소의 무게차를 이용한 '운동 양자체 효과' 분리방법이 있는데, 수소 크기와 비슷한 단단한 다공성 물질의 좁은 공간에서 중수소가 수소보다 더 빠르게 확산되는 성질을 이용한 것이다.

수소와 중수소의 확산 속도는 보통 영하 254도 이하의 극저온 조건에서 두드러지는데, 동위원소 간 확산속도 차이를 이용하면 중수소를 체로 거르듯 분리할 수 있다. 그러나 극저온 환경을 만들기 위해서는 고가의 액체헬륨이 필요해 후쿠시마와 같은 대량 오염수 처리에 적용하기 어렵다는 한계가 있다.

단단한 구조 및 유연한 구조에서의 수소 동위원소 확산계수 비교구조변화가 없는 단단한 구조의 다공성 물질 내에서 수소 및 중수소 확산은 저온에서 차이가 발생하지만 유연한 구조를 가진 금속-유기 골격체 내 수소 및 중수소 확산은 고온에서 확산차이가 발생하는 역전 효과가 있음을 보여주고 있다. /자료=오현철 경상국립대학교 교수

공동연구팀은 금속과 유기물로 만든 유연한 구조의 다공성 소재(플렉서블 금속-유기 골격체)를 개발했다. 새로운 다공성 소재에서는 액체헬륨보다 60도가량 높은 액체질소 온도(영하 196도)에서도 수소와 중수소의 확산속도가 3배 이상 차이나는 것으로 나타났다.

다공성 소재의 구조적 유연성과 동위원소에 대한 선택적 반응이 이같은 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.

오현철 교수는 "이번 연구성과는 보다 실용적인 수소 동위원소 분리기술이 개발되는 단초가 될 수 있을 것"이라며 "다만 이번 연구는 높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 것으로 후쿠시마 오염수와 같은 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리를 위해서는 추가적인 검증이 필요하다"고 설명했다.

오 교수는 "당장은 현재 액체헬륨을 활용해 영하 249도의 초저온 증류법을 적용하고 있는 핵융합 발전 동위원소 분리시스템을 196도의 동위원소 분리시스템으로 대체할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구사업 등의 지원으로 수행됐으며, 신소재분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 표지논문으로 선정돼 7일 온라인 게재됐다.

교신저자 오현철 경상국립대 교수(사진 왼쪽부터), 교신저자 박지태 뮌헨공대 박사, 제1저자 정민지 경상국립대 박사과정생, 제1저자 박재우 경상국립대 박사과정생. /사진=오현철 경상국립대 교수