위험한 원전 폐수 속 삼중수소, 한 겹의 그래핀으로 안전하게 차단한다

- POSTECH, 액체상 수소 동위원소 분리 기술 개발 방사성 폐수에서 삼중수소 잡는다

POSTECH(포항공과대학교) 첨단원자력공학부·환경공학부 엄우용 교수 연구팀이 방사성 폐수 속 위험한 삼중수소를 액체 상태에서 분리할 수 있는 그래핀 기술을 개발했다. 이번 연구는 후쿠시마 원전 오염수 등 전 세계 방사성 폐수 문제의 새로운 해결책으로 주목을 모으며, 미국 화학회(ACS)에서 발간하는 재료 분야 국제 학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 온라인판에 게재됐다.

삼중수소는 원자력 발전소에서 생성되는 방사성 수소로, 대부분 물 분자 형태로 존재한다. 인체에 유입되면 내부에서 방사선을 방출할 수 있어 철저한 관리가 필요하지만 지금까지는 삼중수소를 기체 상태에서만 분리할 수 있을 뿐, 액체 상의 삼중수소 제거는 큰 과제로 남아 있었다.

연구팀은 ‘그래핀(graphene)’에 주목했다. 원자 한 겹 두께의 그래핀은 양성자만을 통과시키고, 삼중수소를 포함한 다른 방사성핵종은 차단하는 특수한 분리 능력이 있다. 이번 연구에서 연구팀은 고분자 전해질 막인 ‘나피온(Nafion1))’의 수용액 상에서의 치수 안정성을 강화하기 위해 ‘테플론(PTFE2))’을 기반 멤브레인에 나피온을 합침시킨 후, 그 위에 그래핀을 전사하여 최종 분리막을 완성했다.

그 결과, 전기장을 가해주었을 때 가벼운 수소 이온(H⁺)은 막을 빠르게 통과하지만, 무거운 중수소(²H)와 삼중수소(³H)는 막을 통과하지 못하고 농축되는 현상이 나타났다. 상대적으로 더 무거운 수소 동위원소는 이동 시 더 큰 에너지 장벽을 느껴 이동이 억제됨을 입증한 것이다. 이때 그래핀을 통한 수소와 중수소 간 분리 효율을 나타내는 분리계수는 6에 달했고, 농도 차이에 의한 확산 실험에서도 삼중수소가 양성자보다 멤브레인을 통해 3.1배 느리게 이동하는 것으로 나타났다.

이 기술의 가장 큰 장점은 원전 폐수처럼 상온 액체 상태에서도 높은 수준의 분리가 가능하다는 것이다. 특히, 기존 상용화된 기술인 극저온 증류 및 촉매 교환방식은 매우 낮은 분리계수를 나타내므로 높은 공정비용이 필요했으나, 이제는 고분자 전해질막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE)’ 공정에 해당 멤브레인을 적용하여 물 상태 그대로 상온에서 삼중수소를 걸러낼 수 있다. 이를 적용하면 후쿠시마 오염수 등 글로벌 원자력 발전소 방사성 폐수를 효과적이고, 무엇보다 안전하게 처리할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 이끈 엄우용 교수는 “이번 기술은 원자력과 핵융합 산업의 방사성 폐수 문제 해결 및 삼중수소 활용에 큰 도움이 될 것”이라며 연구의 의의를 전했다. 제1저자인 김효주 씨는 “그래핀이 수소 동위원소 분리에 전기 이동과 확산 조건에서 각각 어떻게 다르게 영향을 미치는지 규명했다”라며 “이차원 물질을 활용한 동위원소 분리 기술 발전의 중요한 밑거름이 될 것”이라고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 지역원자력산업 기반 에너지기술공유대학 사업 지원을 받아 수행됐다.