원전 폐액 속 삼중수소 걸러낼 고효율 신소재 개발

박찬우 원자력연 책임연구원팀이 삼중수소 분리용 수전해 복합 신소재를 개발했다. 원자력연 제공

삼중수소는 일반 수소에 중성자가 2개 더 있는 동위원소로 원전 등에서 발생하는 대표적인 방사성 물질이다. 국내 연구팀이 방사성 폐액에 포함된 삼중수소를 분리·농축하는 수전해용 고효율 신소재를 개발했다.

한국원자력연구원은 박찬우 해체기술개발부 책임연구원팀이 수전해 삼중수소 분리 기술에서 이온을 전달하는 고분자전해질막에 그래핀 박막을 추가해 성능을 획기적으로 개선했다고 22일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 10월호에 실렸다.

수전해 과정에서는 한쪽 전극에서 물을 전기로 분해해 발생한 수소이온(H+)이 고분자전해질막을 투과해 반대편 전극으로 이동한다. 이후 촉매로 수소이온끼리 결합하면 수소 기체(H2)가 발생하는 원리다.

삼중수소나 중수소 등 동위원소도 일반 수소처럼 이온화돼 수소 기체로 나온다. 연구팀은 수소 동위원소 이온들이 전극으로 이동하는 과정에서 걸러지도록 고분자전해질막에 그래핀 막을 추가해서 삼중수소 분리 효과를 극대화했다.

삼중수소 분리용 수전해 기술 개략도 및 원리. 원자력연 제공

원자의 질량이 무거울수록 그래핀 박막의 좁은 육각형 탄소 고리를 통과하는 데 더 높은 에너지가 필요하다는 점이 활용됐다. 일반 수소보다 질량이 큰 동위원소는 그래핀 박막을 통과하기 어려워 대부분 폐액에 남게된다.

연구팀이 개발한 신소재는 기존 상용제품 대비 삼중수소 분리 성능이 1.4~2배 정도 높았다. 삼중수소수를 1회만 처리해도 배출된 수소 기체에서 삼중수소 비율을 15분의 1 이하로 줄일 수 있어 국내 배출관리 기준도 충족했다.

폐액에서 삼중수소를 효과적으로 분리하면 폐액이 상대적으로 농축돼 폐액 처리·관리 비용이 절감된다. 핵융합, 반도체, 디스플레이 등 전략산업에 필요한 수소 동위원소 분리 기술에도 응용될 수 있다는 설명이다.

연구팀은 향후 수소기체 속 삼중수소 회수 기술을 연계해 삼중수소 제거 성능이 극대화된 소형 처리장치 개발해 집중할 예정이다.

백민훈 원자력연 후행원자력기술연구소장은 "수소 동위원소 분리는 국가전략산업 및 방사선 안전관리에서 중요한 기반기술"이라며 "지속적인 연구개발을 통해 다양한 산업에 활용될 수 있도록 노력하겠다"고 밝혔다.
 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]