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.
<녹색으로 표시된 D₂가 중수소, 빨간색으로 표시된 H₂가 수소다. 저온에서는 개구가 닫혀 있다가, 온도가 올라가면서 개구가 열려 기공(방)안으로 중수소가 들어가는 모습을 형상화했다.>
<고온 중수소 분리 시스템(FMOFCu) : 극저온에서 수소 기체에 노출됐을 때, 작은 개구(2.6Å)는 닫혀있고, 큰 개구(3.6Å)만 열려있다. 온도가 올라가면 작은 개구가 열리면서 고온에서도 운동 양자체 효과를 얻는 모습을 보여주고 있다.>
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 수 밖에 없어 어려움이 있었다.
연구팀은 극저온에서는 닫혀 있다 온도가 올라가면서 서서히 열리는 기공을 가진 다공성 물질을 이용해 더 무거운 중수소만 고온에서 기공을 통해 분리되도록 했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 해외대형연구시설활용연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 미국화학회지(JACS, Journal of The America Chemical Society)에 11월 21일 게재되었다.
