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후쿠시마 오염수 삼중수소 분리 실마리 찾았다

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후쿠시마 오염수 삼중수소 분리 실마리 찾았다

2021.04.07 00:00
오현철 경상국립대 교수와 박지태 뮌헨공대 박사. 과기정통부 제공.
오현철 경상국립대 교수와 박지태 뮌헨공대 박사. 과기정통부 제공.

한국과 독일에서 활동하는 과학자들이 일본 후쿠시마 원전 오염수에 포함돼 있지만 사실상 제거가 불가능하던 방사성 물질인 삼중수소를 정화할 실마리를 찾는데 성공했다. 


오현철 국립 경상대 에너지공학과 교수와 박지태 뮌헨공대 연구원은 6일 금속과 유기물을 결합한 다공성 소재에서 수소와 방사성 동위원소인 중수소의 확산 속도 차이가 고온에서 더욱 커지는 현상을 규명했다고 밝혔다. 이 확산 속도 차이를 이용하면 동위원소를 분리할 수 있어 오염수에서 삼중수소와 같은 방사성 물질을 제거할 획기적인 방법을 찾을 수 있을 것으로 기대를 모은다. 

 

2011년 3월 동일본 대지진 여파로 발생한 폭발 사고 후 후쿠시마 제1원전의 원자로 내 핵연료를 식히는 냉각수에 빗물과 지하수가 유입되면서 매일 170~180t의 오염수가 발생하고 있다. 일본은 그간 이를 다핵종제거설비(ALPS)로 제거한 후 원전부지 내 저장탱크에 보관해왔다. 지난달 기준 원전 내 탱크에 124만t을 보관했지만 2022년 10월 탱크 포화(137만t)를 앞두고 빨리 처리해야 할 필요성이 커졌다.

 

원전 오염수에는 다양한 핵종이 존재하는데 대부분 핵종은 제염 기술로 처리가 가능하다. 하지만 삼중수소가 포함된 오염수에서 일반 물을 화학적으로 분리하는 게 쉽지 않다. 제거 설비로 일부 삼중수소를 정화할 수 있지만 후쿠시마 오염수처럼 삼중수소 농도가 낮을 경우 제거 설비로 정화가 사실상 불가능하다. 일본 정부가 삼중수소를 포함한 오염수의 해양 방류를 고려하고 있는 이유다. 


그동안 활용된 동위원소 분리 기술은 다공성 물질 내 좁은 공간을 무거운 동위원소가 더 빠르게 확산하는 성질을 이용했다. 그러나 영하 254도의 초극저온 환경에서만 확산 속도 차이가 확연히 나타나 고가의 액체헬륨을 사용해야 했다. 


연구팀은 기존의 단단한 다공성 소재 대신 알루미늄과 유기물을 결합한 유연한 구조의 다공성 소재를 제안했다. 이 소재를 넣은 진공 용기에 수소와 중수소를 같이 주입해 이 소재에 얼마나 많은 중수소가 흡착되는지를 정량적으로 분석하고 확산 속도 차이를 계산했다. 그 결과 영하 254도보다 60도 가량 높은 영하 196도에서 수소와 중수소의 확산 속도 차이가 3배 이상인 것으로 나타났다. 영하 196도는 액체질소 온도로, 고가의 액체헬륨을 쓰지 않아도 중수소를 효율적으로 분리할 수 있다는 사실을 알아낸 것이다. 


오현철 교수는 “이번 연구에서 제시된 사실을 바탕으로 실용적인 수소 동위원소 분리 기술이 개발될 수 있을 것”이라고 말했다. 다만 방사성 물질인 삼중수소를 이용한 실험은 현재 쉽지 않다.  오 교수는 “삼중수소는 중수소보다 더 무겁기 때문에 확산 차이가 더 클 것으로 예상된다”며 “이번 연구는 농도가 높은 기체 상태의 중수소 분리 가능성을 검증한 것으로 후쿠시마 오염수처럼 액체상 낮은 농도의 삼중수소 분리를 위해서는 추가 실험이 필요하다”고 말했다. 

 

이번 연구성과는 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 표지논문 7일자(한국시간)에 게재됐다. 

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