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유연소재 내 수소동위원소 확산 기작 최초 규명

4월 07, 2021

후쿠시마 원전과 같이 사고원전 노심 냉각 후 버려지는 방사성 오염수를 정화시킬 수 있는 동위원소 분리기술에 대한 실마리가 나왔다. 사고원전 오염수에는 다양한 핵종이 존재하며, 대부분의 핵종은 제염처리가 가능하고, 방사성 삼중수소 분리 및 추출 기술은 다양하게 개발 되어 왔으나 낮은 경제성으로 인해 후쿠시마 오염수와 같은 대량의 오염수처리에는 활용되기 어려웠다. 오현철 교수(경상국립대), 박지태 박사(FRM-II, 뮌헨공대) 공동연구팀이 유연한 다공성 소재에서 나타나는 수소 동위원소의 확산속도 차이가 고온에서 더욱 커지는 현상을 규명해냈다고 과학기술정보통신부가 밝혔다. 수소 동위원소 분리공정 온도를 종전 연구되던 액체헬륨 온도(영하 254℃)에서 액체질소 온도(영하 196℃)까지 끌어올릴 수 있는 실마리가 될 것으로 기대된다. 그간 같은 원소지만(원자번호가 같은) 중성자가 더 많아 무거운 동위원소가 다공성 물질 안의 좁은 공간을 가벼운 동위원소보다 더 빠르게 확산하는 성질을 이용해 마치 체로 거르듯(sieving) 동위원소들을 서로 분리하려는 연구가 이뤄졌다. 하지만 영하 254℃에 이르는 극저온에서만 이러한 확산속도 차이가 확연하게 나타나기에 고가의 액체헬륨을 사용해야 했다. 하지만 연구팀이 제안한 유연한 구조의 다공성 소재에서는 액체헬륨보다 60℃ 가량 높은 액체질소 온도(영하 196℃)에서 수소와 중수소의 확산속도 차이가 3배 이상이 되는 것으로 나타났다. 기존 단단한 구조의 다공성 소재는 액체질소 온도에서는 수소와 중수소의 확산속도 차이가 없어 분리가 거의 불가능 했다. 핵심은 금속과 유기물로 된 다공성 소재의 구조적 유연성과 동위원소에 대한 선택적 반응에 있었다. 수소와 중수소가 기공 안으로 들어가면 구조가 1차 확장되고, 이후 중수소에 의해서만 유연구조가 선택적으로 반응하여 추가(2차) 확장이 일어나게 되는데, 그때 여분의 공간이 중수소에만 확보되어 이동속도가 더 빨라지게 된다. 한편 이 같은 유연소재 내 확산속도 차이는 수소 동위원소 기체의 흡수량이

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