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중수소 경제적 분리 기술 개발, 인공태양 개발 가속화

액체질소로 냉각할 수 있는 영하 170도에서 수소 동위원소 분리

중수소 경제적 분리 기술 개발, 인공태양 개발 가속화
녹색으로 표시된 D₂가 중수소, 빨간색으로 표시된 H₂가 수소다. 저온에서는 개구가 닫혀 있다가, 온도가 올라가면서 개구가 열려 기공(방)안으로 중수소가 들어가는 모습을 형상화했다


[산업일보]
중수소는 수소에 중성자가 하나 더 있는 수소의 동위원소로, 미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심연료이자 원자력발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 대체 불가능한 자원이다. 하지만 지구상에 존재하는 중수소는 전체 수소 중 0.016%에 불과한 데다, 수소 동위원소 혼합물에서 다공성 물질을 이용해 중수소를 분리하는 것은 거의 불가능에 가까웠다.

최근 다공성 물질 안에서 가벼운 동위원소보다 무거운 동위원소가 좁은 공간을 더 빠르게 확산되는 양자효과를 이용해, 마치 체로 거르듯(sieving) 무게가 다른 동위원소를 분리하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 이러한 현상은 영하 200도 이하의 극저온에서만 가능해 고가의 액체헬륨을 사용할 수밖에 없어 어려움이 있었다.

이에, 꿈의 에너지이자‘인공태양’으로 불리는 핵융합발전의 핵심연료인 중수소를 보다 경제적으로 얻을 수 있는 실마리가 나왔다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 오현철 교수(경남과기대), 최경민 교수(숙명여대), 마이클 허셔(Michael Hirscher) 박사(막스플랑크연구소) 공동연구팀이 영하 170도에서도 중수소 분리가 가능한 시스템을 개발했다고 밝혔다.

기존에는 절대온도 근처인 영하 250도 가량에서만 수소 동위원소 분리가 가능해 극저온 도달을 위해 고가의 액체헬륨(3만원/리터)을 사용해야 했으나, 영하 200도 이상의 고온에서 분리가 가능해 지면 훨씬 경제적인 액체질소(600원/리터)로 냉각시킬 수 있게 된다.

연구팀은 극저온에서는 닫혀 있다 온도가 올라가면서 서서히 열리는 기공을 가진 다공성 물질을 이용해 더 무거운 중수소만 고온에서 기공을 통해 분리되도록 했다.

연구팀은 “이번 연구는 국소적 유연한 금속-유기 골격체를 이용해 고온에서 수소 동위원소 분리를 시도한 첫 연구”라며, “고온에서만 열리는 개구를 활용해, 그간 구현하기 어려웠던 고온에서의 운동 양자체 효과를 낼 수 있는 기공 구조를 손쉽게 얻었다”고 설명했다.

“수소 혼합물에서 분리해 내기 어려웠던 중수소를 고온에서도 분리할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”고 말한 연구팀은, “국소적 유연한 금속-유기 골격체를 이용하는 전략은 다른 동위원소나 가스 혼합물을 분리하는 데도 응용될 수 있을 것으로 기대되며, 고온에서 분리할 수 있는 다공성 물질의 지능형 설계에 실마리가 될 것”이라고 말했다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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