기공 크기가 변하는 유연한 금속유기 골격체의 경우, 저온에서 수소와 중수소의 확산차이가 크게 나지 않으나, 상대적으로 높은 온도에서는 구조 변화가 발생하며 중수소 확산이 빨라지는 현상을 이미지화 한 그림 (오현철 경상국립대학교 교수 제공) 2021.04.06 /뉴스1

국내 연구진이 분류가 어려운 동위원소의 분리법을 규명했다. 이 기술을 발전시키면 원자력 발전에서 발생하는 삼중수소를 제거할 가능성이 있다.

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

이번 연구 결과는 기존 수소 동위원소 분리공정 온도를 종전 연구되던 액체헬륨 온도(영하 254도)에서 액체질소 온도(영하 196도)까지 끌어올릴 수 있는 실마리가 될 수 있다. 액체헬륨은 고갈 우려로 가격이 높게 형성돼, 액체 질소로 대체하면 경제성 확보가 가능하다.

후쿠시마 오염수는 다핵종제거설비(ALPS)를 통해 방사성 핵종을 제거하는데, 삼중수소를 제거하는 데는 한계가 있다. 일본 정부는 이를 기준치 이하로 희석해 방류한다는 계획을 가지고 있다.

동위원소는 원자번호가 같지만, 중성자의 개수가 다른 원소들을 말한다. 대부분의 수소 원자핵은 양성자 하나지만, 수소의 동위원소 중수소는 양성자와 중성자 하나, 삼중수소는 양성자와 중성자 두 개로 핵이 구성된다.

단단한 구조 및 유연한 구조에서의 수소 동위원소 확산계수(Diffusivity) 비교, 구조변화가 없는 단단한 구조의 다공성 물질(왼쪽) 내에서 수소 및 중수소 확산은 저온에서 차이가 발생하지만 유연한 구조를 가진 금속-유기 골격체(오른쪽) 내 수소(H2) 및 중수소(D2) 확산은 고온에서 확산차이가 발생하는 역전 효과가 있음을 보여주고 있다 (오현철 경상국립대학교 교수 제공) 2021.04.06 /뉴스1

구멍이 많은 물질 안의 좁은 공간을 가벼운 동위원소보다 무거운 동위원소가 빠르게 확산하는 '운동 양자체 효과'를 이용해 분리하려는 시도가 있었다. 하지만 영하 254도에 이르는 극저온에서만 이러한 확산속도 차이가 확연하게 나타나기에 고가의 액체헬륨을 사용해야 했다.

기존 단단한 구조의 다공성 소재는 액체질소 온도에서는 수소와 중수소의 확산속도 차이가 없어 분리가 거의 불가능했다.

연구팀이 제안한 유연한 구조의 다공성 소재에서는 액체헬륨보다 60도가량 높은 액체질소 온도(영하 196도)에서 수소와 중수소의 확산속도 차이가 3배 이상이 되는 것으로 나타났다.  

이번에 제안된 다공성 소재는 금속과 유기물로 구성됐다. 이 소재의 구조적 유연성과 동위원소에 대한 선택적 반응이 동위원소를 분리하는 역할을 한다.

수소와 중수소가 기공 안으로 들어가면 구조가 1차 확장되고, 이후 중수소에 의해서만 유연 구조가 선택적으로 반응해 추가 확장이 일어난다. 그때 만들어지는 여분의 공간을 통해 중수소의 이동이 더 원활해진다.

이 같은 유연 소재 내 확산속도 차이는 수소 동위원소 기체의 흡수량이 많아질수록, 온도가 높아질수록 급증하는 것으로 나타났다.

오현철 교수는 "현재 후쿠시마 원전에 사용된 냉각수에는 방사성 삼중수소가 포함돼 있으나 현재까지 개발된 오염수 내 삼중수소 처리기술은 경제성이 낮아 일본은 오염수를 희석시켜 바다로 방류하는 방식을 계획하고 있다"면서 "이번 연구 성과를 기반으로 보다 실용적인 수소동위원소 분리기술이 개발되는 단초가 될 수 있을 것"이라고 의미를 밝혔다.

연구진에 따르면 이번 연구는 높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 것으로써 후쿠시마 오염수와 같은 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리를 위해서는 추가적인 검증이 필요하다.

제1저자인 정민지 박사과정과 중성자 실험을 책임진 박지태 박사도 "이번 연구를 통해 수소 동위원소 분리에서 유연 소재의 잠재력을 중성자 실험으로 입증한 좋은 예가 되었다"며 "동위원소 분리 성능 측정을 위한 측정 방식에 대한 새로운 방향을 제시한 것"이라고 설명했다.

한편, 이러한 분리 기술은 현재 전량 수입 중인 DDW를 생산하는 데도 활용할 수 있다. DDW는 동위원소가 상당히 적게 포함된 물로, 반도체 공정에 많이 쓰인다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 원자력기초연구지원사업 및 해외대형연구시설활용연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 신소재분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈에 표지논문으로 선정됐다.