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"후쿠시마 원전 오염수, 정화 가능해졌다"… 동위원소 분리기술 실마리 찾아
"후쿠시마 원전 오염수, 정화 가능해졌다"… 동위원소 분리기술 실마리 찾아
  • 이민호 기자
  • 승인 2021.04.07 00:00
  • 댓글 0
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일본 스가 총리가 다음 주 장관급 회의를 열어 오염수를 바다로 방출하는 논의를 시작할 예정인 가운데, 원전 오염수에 대한 우려는 날로 커져가고 있다. 방사성(사고원전) 오염수는 다양한 핵종이 존재하고 핵종은 제염처리가 가능하지만. 방사성 삼중수소 분리·추출 기술은 경제성이 낮아 후쿠시마 오염수처럼 대량 처리에는 활용될 수 없었다.

이러한 가운데, 경상국립대 오현철 교수와 뮌헨공대 박지태 박사 공동연구팀이 방사성 오염수를 정화시킬 수 있는 동위원소 분리기술에 대한 실마리를 찾았다. 유연한 다공성 소재에서 나타나는 수소 동위원소의 확산속도 차이가 고온에서 커지는 현상을 규명해냈다. 수소 동위원소 분리공정 온도를 종전 연구되던 영하 254℃의 액체헬륨 온도에서 영하 196℃의 액체질소 온도만큼 끌어올릴 수 있는 해법이 될 것으로 기대된다.

경상국립대학교 오현철 교수는 “현재 후쿠시마 원전에 사용된 냉각수에는 방사성 삼중수소(반감기 12.4년)가 포함되어 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 밝혔다.

이어 오 교수는 “다만, 이번 연구는 높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 것으로써 후쿠시마 오염수와 같은 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리를 위해서는 추가적인 검증이 필요하다”고 덧붙였다.

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

단단한 구조 및 유연한 구조에서의 수소 동위원소 확산계수 비교. 구조변화가 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. (그림=경상국립대학교 오현철 교수 제공)

그동안 원자번호가 같은 원소지만 중성자가 더 많아 무거운 동위원소가 다공성 물질 안에 좁은 공간을 가벼운 동위원소보다 빠르게 확산하는 성질을 이용해 마치 체로 거르듯 동위원소들을 서로 분리하려는 연구들이 이뤄졌다. 이러한 연구는 영하 254℃의 극저온에서만 확산속도 차이가 두드러지기에 고가 액체헬륨을 사용해야만 했다.

기존 다공성 소재는 액체질소 온도에서 수소와 중수소의 확산속도 차이가 없어 분리가 불가능했지만, 연구팀이 제안한 다공성 소재에서는 액체헬륨보다 60℃ 가량 높은 액체질소 온도에서 수소와 중수소의 확산속도가 3배 이상 나타났다.

연구의 핵심은 금속과 유기물로 이뤄진 다공성 소재의 유연성과 동위원소에 대한 선택적 반응에 있었다. 즉, 연구팀의 다공성 소재가 기존보다 유연했던 것. 수소와 중수소가 기공 안으로 들어가면 구조가 1차 확장되고, 이후 중수소에 의해서만 유연구조가 선택적으로 반응하여 추가 2차 확장이 일어나게 되는데, 그때 여분의 공간이 중수소에만 확보되어 이동속도가 더 빨라지게 된다. 이같은 유연소재 내 확산속도 차이는 수소 동위원소 기체의 흡수량이 많아질수록 또 온도가 높아질수록 급증하는 것으로 나타났다.

Journal Cover Image. 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.(그림=경상국립대학교 오현철 교수 제공)


한편, 이번 연구성과는 과기정통부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 원자력기초연구지원사업 및 해외대형연구시설활용연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 신소재분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 표지논문으로 선정됐다. 논문 저자는 제1저자 정민지 박사과정생, 제1저자 박재우 박사과정생, 교신저자 박지태 박사, 교신 저자 오현철 교수 순이다.

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