- 원자력연, 그래핀 박막을 추가한 수전해 복합 신소재로 삼중수소 분리 성능 대폭 향상

- 기존 상용제품 대비 삼중수소 분리 성능 약 1.4~2배 향상, 폐액 처리 및 관리 비용 절감 기대

- 핵융합, 반도체, 디스플레이 등 국가전략산업에 응용 가능한 기반기술 확보

한국원자력연구원이 수전해 기술을 활용해 삼중수소 분리 성능을 약 1.4~2배 향상시킨 고효율 신소재 개발에 성공했다. 이 기술은 핵융합, 반도체, 디스플레이 등 다양한 산업에 응용될 수 있다.

삼중수소(Tritium, 3H, T)는 수소의 동위원소(동일 원자번호, 다른 질량수)이자 원자력 발전에서 발생하는 대표적인 방사성 물질이다. 특히, 발전소 해체 및 부지복원을 위한 제염 시 발생하는 폐액에 삼중수소가 포함되어 있다. 이 방사성 폐액은 처리, 관리하는데 비용이 많이 들어 용량을 줄이는 것이 매우 중요하다. 이와 관련해 국내 연구진이 최근 삼중수소를 분리․농축하는 수전해용 고효율 신소재 개발에 성공해 관심을 끈다.

▲삼중수소 분리용 수전해 기술 개략도 및 원리

한국원자력연구원은 물을 전기분해하는 수전해(water electrolysis) 기술을 활용한 삼중수소 분리 기술에서 이온 전달 역할을 하는 고분자전해질막(전해질 성질을 가진 고분자화합물로 이루어진 막으로 수소이온을 투과시킴)에 그래핀(graphene: 탄소의 동소체 중 하나로 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루는 구조) 박막을 추가 결합해 삼중수소 분리 성능을 획기적으로 개선한 수전해 복합 신소재 개발에 성공했다고 지난 22일 밝혔다.

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

기존 수전해 기술은 한쪽의 전극에서 물을 분해시켜 발생한 수소이온(H+)이 고분자전해질막을 통해 반대편 전극으로 이동하고, 여기서 촉매로 수소이온을 결합시켜 수소 기체(H2)를 발생시킨다. 이 과정에서 수소뿐만 아니라 삼중수소나 중수소(Deuterium, 2H, D) 등의 동위원소도 전극에 이동해 수소 기체에 혼합되어 나온다.

이에 연구팀은 수소 외에 삼중수소 등의 동위원소 이온들이 전극에 이동하는 것을 일차적으로 걸러주는 거름막으로 그래핀 박막을 추가해 삼중수소 분리 효과를 극대화했다.

이는 원자의 질량이 무거울수록 그래핀 박막의 좁은 육각형 탄소 고리를 통과하는데 더 높은 에너지가 필요하다는 점을 활용한 것이다. 즉, 수소보다 질량이 높은 삼중수소 등의 동위원소는 그래핀 박막을 통과하기 어려워 대부분 폐액에 남게 되고 소수만 전극에 도달한다. 이마저 수소이온 결합으로 수소 기체를 발생시키는 과정에서 대부분 제외되어 폐액에 잔류하게 된다.

▲그래핀 박막과 고분자전해질막이 접합된 복합막을 전자현미경으로 관찰한 모습

연구팀이 개발한 복합 신소재는 기존 상용제품 대비 삼중수소 분리 성능(수소-삼중수소 분리계수 기준)이 약 1.4~2배 정도 높다. 특히, 삼중수소수를 1회만 처리해도 배출되는 수소 기체에서 삼중수소 비율을 1/15 이하로 줄일 수 있어 국내의 배기 중 배출관리 기준 충족에도 도움이 된다.

이 기술로 삼중수소 폐액에서 수소 기체를 분리․배출하면 폐액이 줄어들어 폐액 처리 및 관리 비용도 절감할 수 있다. 또한, 핵융합, 반도체, 디스플레이 등 국가전략산업에서 필요한 수소 동위원소 분리 기술에도 응용될 수 있다.

▲삼중수소 분리용 수전해 복합 신소재 시작품 모습 (투명 부분은 복합막, 회색 부분은 전극)

이번 연구는 과학기술정보통신부 원전해체 안정성강화 융복합 핵심 기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 결과는 국제 저명 학술지인 Chemical Engineering Journal(케미컬 엔지니어링 저널) 10월호에 게재되었다.

*[논문명] Combined water electrolysis and 2D hydron separator for enhanced hydrogen isotope separation

(2차원 수소이온 분리막 및 수전해기술의 융합을 통한 수소 동위원소 분리 향상)

향후 연구팀은 배출되는 수소기체 내 삼중수소를 회수하는 기술 등을 연계해 삼중수소 제거 성능과 방사성 폐액 감용이 극대화된 소형 처리장치 개발에 집중할 계획이다.

▲박찬우 박사 연구팀이 삼중수소 분리용 수전해 복합 신소재를 개발했다.

연구원 백민훈 후행원자력기술연구소장은 “수소 동위원소 분리는 국가전략산업 및 방사선 안전관리에서 중요한 기반기술이다”며, “지속적인 연구개발을 통해 다양한 산업에 활용될 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.