다핵종제거설비(ALPS)로는 거를 수 없는 삼중수소를 다른 방법으로 분리하기 위한 연구가 한창 진행 중이다.

삼중수소 연구는 미래 핵융합 연료 생산 기술 확보 및 원전 폐수 처리를 위해서 추진되고 있다. 삼중수소는 도쿄전력 제1원전 사고 외에도 원전의 일상적 운전에서도 발생하고 있다. 핵융합 반응에는 삼중수소와 중수소가 연료로 쓰인다.

특히 후쿠시마 오염수와 관련해 일본과 국제원자력기구(IAEA)도 삼중수소 제거 방안을 검토했다.

10일 IAEA가 2020년 4월 발간한 보고서에 따르면 일본은 2014년~2016년 삼중수소 분리 기술 활용 가능성을 입증하기 위한 연구 개발을 수행했다.

다만 보고서는 일본은 현실적으로 고려할 정도로 기술이 성숙하지 못했다고 결론지었고 IAEA 검토팀도 결과에 동의한다고 부연했다.

그럼에도 새로운 기술을 지속적으로 모니터링하여 기술이 미래에 가능성을 보여주는지 여부를 확인하고 미래 계획에 이를 수용할 것을 일본에 촉구한다고 덧붙였다.

캐나다에 삼중수소 분리 기술이 상용화된 것이 있으나 IAEA는 후쿠시마 사례에는 적절치 않다고 봤다.

삼중수소 분리(제거) 기술은 △극저온 증류 △팔라듐 막 확산 △순수 전기 분해 △전기화학적 펌핑 △흡착 등 다방면으로 연구되고 있다.

상용화의 가장 큰 걸림돌은 경제성이다. 극저온 증류는 온도 유지를 위한 설비가 필수다. 팔라듐은 백금보다 비싼 금속이다. 전기 분해도 많은 에너지를 필요로 한다.

지난달 25일 엄우용 포학공과대학(포스텍) 첨단원자력공학부 교수 연구팀은 학술지 '산업·공학 화학 저널'(JIEC)에 '수소 결합 불소의 수소 동위원소 선택적 교환에 의한 방사성 폐수로부터 삼중수소 분리'라는 논문을 발표했다. 엄 교수 연구실은 6년 전부터 삼중수소 문제 해결을 위해 연구를 진행 중이다.

이 연구에서는 'MCM-41'이라는 구멍이 많은 물질의 표면을 플루오린(F·불소)으로 코팅해 삼중수소 제거 효율을 올렸다. 기존 삼중수소 흡착제인 MCM-41에 비해 코팅을 거친 경우 약 2.7배로 분리 효율이 올랐다. 수소와 결합한 불소에서 나타나는 에너지가 동위원소 별로 편차가 나타나는 데 이를 이용해 분리하는 것이다.

엄우용 교수는 이메일을 통해 "(이번 연구 성과는) 저농도 삼중수소 제거에도 사용될 수 있고 현재 많이 사용되고 있는 전기화학적 분리기술보다도 경제적"이라며 "현장 적용을 위해서는 대량생산 및 다양한 크기의 흡착제 개발을 해야 한다"고 설명했다.

경제성을 확보하기 위한 또 다른 방편으로 극저온 분리에 필요한 온도를 높이는 연구도 있다. 2021년 오현철 울산과학기술원 교수(당시 경상국립대 교수)는 금속과 유기물을 결합한 다공성 소재를 활용해 섭씨 영하 196도(℃)에서 수소동위원소를 분리하는 연구성과를 냈다. 영하 196도는 비교적 저렴한 액체질소로 도달할 수 있는 온도다. 그 이전에는 영하 254도의 극저온에서 삼중수소를 분리해야했다. 영하 254도는 액체질소에 비해 상당히 비싼 액체헬륨으로 도달할 수 있다.

해외에서는 그래핀 기반의 전기화학적 펌핑 기법을 활용하는 연구도 진행되고 있다. 2017년 영국 맨체스터 대학 연구팀이 네이처커뮤니케이션즈에 관련 연구 성과를 발표했다. 논문에서 연구팀은 "기존 기술에 비해 에너지 비용을 10배 이상 줄일 수 있다고 생각한다"며 "기존의 동위원소 분리 기술이 잘 확립되어 있지만 그래핀 기반 분리는 원자력 산업 내에서도 신속한 도입을 하기에도 충분하다"고 서술했다.

엄우용 포스텍 교수는 "(영국의 연구팀의 방식도) 저희가 추가로 개발해 발전시키는 연구를 진행 중"이라며 "후쿠시마 오염수나 해수에서의 삼중수소 제거를 위해서는 높은 이온강도 조건인 해수 등에서 추가실험이 반드시 필요하다"고 설명했다.

출처: 뉴스1