원자력硏, 삼중수소 분리 성능 개선 ‘수전해 복합 신소재’ 개발

삼중수소를 분리·농축하는 데 효과가 큰 수전해용 고효율 신소재가 국내에서 개발됐다. 삼중수소는 수소의 동위원소이자, 원자력 발전에서 발생하는 대표적인 방사성 물질이다. 이때 방사성 폐액은 처리·관리에 비용이 많이 들어 발생용량을 줄이는 게 관건이 된다.

한국원자력연구원(이하 원자력연)은 물을 전기 분해하는 수전해(water electrolysis) 기술로 삼중수소를 분리하는 기술에서 이온 전달 역할을 하는 고분자 전해질막에 그래핀(graphene) 박막을 추가 결합해 삼중수소 분리 성능을 획기적으로 개선할 ‘수전해 복합 신소재’를 개발했다고 22일 밝혔다.

삼중수소 분리용 수전해 기술 개략도 및 원리. 한국원자력연구원 제공

고분자 전해질막은 전해질 성질을 가진 고분자화합물로 이뤄진 막으로, 수소이온을 투과하는 역할을 한다. 그래핀은 탄소의 동소체 중 하나로 탄소 원소가 모여 2차원 평면을 이루는 구조를 말한다.

해체기술개발부 박찬우 박사 연구팀은 기존 고분자 전해질막에 원자 두께의 얇은 그래핀 박막을 코팅해 복합막을 만들고, 전기화학 반응을 위한 전극을 양쪽에 접합해 삼중수소 분리용 수전해 복합 신소재를 개발했다.

이 과정에서 연구팀은 수소 외에 삼중수소 등의 동위원소 이온이 전극에 이동하는 것을 일차적으로 걸러주는 거름 막으로 그래핀 박막을 추가해 삼중수소 분리 효과를 극대화했다.

이는 원자의 질량이 무거울수록 그래핀 박막의 좁은 육각형 탄소 고리를 통과하는데 보다 많은 에너지가 필요하다는 점을 활용해 얻은 결과물이다.

연구팀이 개발한 수전해 복합 신소재는 기존 상용제품보다 삼중수소 분리 성능(수소-삼중수소 분리계수 기준)이 1.4~2배 정도 높다.

또 수전해 복합 신소재로 삼중수소 폐액에서 수소 기체를 분리ㆍ배출하면 폐액이 줄어들어 폐액 처리 및 관리 비용도 절감할 수 있어 핵융합, 반도체, 디스플레이 등 국가전략산업에서 활용되는 수소 동위원소 분리 기술에도 응용될 수 있을 것으로 연구팀은 내다본다.

향후 연구팀은 배출되는 수소 기체 내 삼중수소를 회수하는 기술 등을 연계해 삼중수소 제거 성능과 방사성 폐액 감용이 극대화된 소형 처리장치를 개발하는 데 집중할 계획이다.

백민훈 원자력연 후행원자력기술연구소장은 “수소 동위원소 분리는 국가전략산업과 방사선 안전관리 분야에 중요한 기반기술”이라며 “연구팀은 지속적인 연구개발로 수전해 복합 신소재가 다양한 산업에서 활용될 수 있도록 하기 위해 노력하겠다”고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr