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원자력발전소(이하 원전)에서 발생하는 삼중수소를 촉매로 제거할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다.

삼중수소는 중수로 원전을 운영할 때 발생하는 대표적 방사성 물질로, 지난해 일본이 후쿠시마 원전 오염수를 해양에 방류할 때 대중에 이름이 알려졌다.

삼중수소는 해양 생태계와 환경에 악영향을 끼칠 수 있어 제거 설비가 필요하다.
하지만 연구진이 개발한 기술은 촉매를 이용해 삼중수소를 획기적으로 제거할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 한국원자력연구원 박찬우 박사 연구팀과 공동연구를 진행해 원전 폐수에 함유된 삼중수소를 제거할 수 있는 공정에 필요한 새로운 구조의 ‘이중기능(액체 상태의 물은 차단하고 기체 상태의 수증기는 통과하는 성질) 소수성 촉매’를 개발했다고 27일 밝혔다.

공동연구팀이 개발한 촉매는 특정 반응 조건에서 최대 76.3%의 반응 효율을 보였다.
특히 현재까지 밝혀지지 않던 수백 ppm 수준의 저농도 동위원소에 대한 촉매 작용을 구체적으로 확인했다.

그간 삼중수소 제거에는 액상 촉매 교환(Liquid-phase catalytic exchange) 공정이 주로 이용됐다.

하지만 이 공정에선 수소-물 동위원소 교환 반응이 생기고, 촉매에 주로 이용되는 백금은 반응성이 높은 반면 많은 비용을 들여야 하는 단점이 있었다.

까닭에 적은 양의 백금을 고르게 분산하고, 물을 밀어내는 성질인 소수성 물질을 도입해 수분에 의한 촉매가 활성화되도록 하는 것이 공정의 핵심이 됐다.

공동연구팀은 기존 공정의 이러한 문제점을 극복하기 위해 ‘금속-유기 골격체와 다공성 고분자의 복합체 형태의 새로운 구조의 삼중수소 제거 촉매를 개발했다.

평균 2.5나노미터(nm) 지름의 백금 입자를 금속-유기 골격체에 고르게 분포시킨 후 화학적 변형을 통해 소수성을 부여하는 구조다.

이 기술은 분자 수준에서 소수성을 조절해 촉매가 물에 의해 활성을 잃는 것을 방지하는 동시에 반응에 필요한 양의 물 분자는 촉매에 쉽게 접근할 수 있도록 한다.

공동연구팀은 개발한 촉매가 원전 운전조건과 비슷한 매우 낮은 농도의 동위원소 함량에서도 삼중수소 제거 반응에 탁월한 활성을 나타내는 것을 확인했다.
또 4주 연속 가동 시에도 일정 수준 이상의 성능을 유지하는 등 내구성을 입증하는 데 성공했다.

나아가 공동연구팀은 현장 난반사 적외선 분광법 분석으로, 미세 분자 수준에서의 물 분자 실시간 움직임을 확인했다.
이를 통해 해당 촉매가 수분에 의한 촉매 비활성화를 억제하면서 물 분자가 촉매 활성 자리에 지속적으로 접근해 반응할 수 있음을 입증했다.

현장 난반사 적외선 분광법은 실시간으로 빛이 물질에 반사돼 돌아오는 정보를 분석함으로써 대상 물질의 성분 변화를 알아내는 기술을 말한다.

이번 연구는 비교적 간단한 금속-유기 골격체 소재의 소수성 조절로 촉매 비활성화의 주요 원인인 수분 저항성을 높이고, 삼중수소 제거 반응에 이용될 수 있는 새로운 구조의 촉매를 제안했다는 점에서 의미를 갖는다.

고 KAIST 교수는 “공동연구팀이 개발한 촉매는 삼중수소 폐액 처리는 물론, 향후 반도체에 사용되는 중수소 원료 생산과 핵융합 연료 주기 기술 등 기술에 필수적인 수소 동위원소 분리 핵심 소재로도 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 원전 해체 안정성 강화 융복합 핵심 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
논문 제1 저자는 KAIST 생명화학공학과 허희령 박사과정이며, 연구 성과는 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 머티리얼스’ 7월 31일에 게재됐다.