핵폐기물서 핵융합 발전 핵심원료 '삼중수소' 만든다

작성일 08-18

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 <img alt="군사용으로 삼중수소를 생산하는 미국 '왓츠 바 원자력 발전소(Watts Bar Nuclear Plant)'. 위키미디어 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202508/18/dongascience/20250818180121587zfpv.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="V6L6dmdzeA" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202508/18/dongascience/20250818180121587zfpv.jpg" width="658">
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 군사용으로 삼중수소를 생산하는 미국 '왓츠 바 원자력 발전소(Watts Bar Nuclear Plant)'. 위키미디어 제공
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 인공지능(AI) 기술 활성화로 전세계에서 전력 수요가 급증하면서 새로운 청정 에너지원인 '핵융합 발전'에 대한 관심이 커졌다. 핵융합 발전은 태양 같은 별의 내부에서 일어나는 핵융합 반응을 지상에서 구현해 에너지를 생산하는 방식이다. 지상에 핵융합 반응 구현을 위한 기술 개발만큼 핵융합 필수 원료인 '삼중수소'의 안정적인 공급도 필요하다. 삼중수소는 일반 수소에 중성자가 2개 더 있는 동위원소다. 
 미국에서 원자력 발전에서 나오는 핵폐기물을 이용해 삼중수소를 생산하는 획기적인 방법이 제시됐다. 핵폐기물은 처리가 어려워 '골칫덩이'로 여겨지고 있어 폐기물 처리 문제와 에너지 생산 문제를 한 번에 해결할 수 있는 방법이라는 평가다.  
 테렌스 타르노스키 미국 로스앨러모스 국립연구소(LANL) 연구원은 17~21일(현지시간) 미국 워싱턴 D.C.에서 열리는 미국화학회(ACS) 가을 학술대회에서 핵폐기물을 이용해 삼중수소를 만드는 방법을 발표한다. 9000편의 연구결과가 발표되는 이번 ACS에서 타르노스키 연구원의 연구결과가 학회 주요 연구로 소개됐다. 
 원자력 발전소는 '핵분열'을 통해 에너지를 생성한다. 핵분열 과정에서 플루토늄이나 우라늄 원자는 분열하며 에너지와 중성자를 방출한다. 방출된 중성자는 더 많은 원자를 분열시킨다. 핵분열을 통해 에너지를 안정적으로 생산하지만 처리가 어려운 핵폐기물(방사성 폐기물)이 나온다.
 핵폐기물은 고준위 방사능 물질이어서 안전하게 보관하려면 값비싼 저장 시설이 필요하다. 핵폐기물이 식물과 야생 동물은 물론 인간에 유해한 영향을 줄 수 있기 때문이다. 
 핵융합은 중수소와 삼중수소 같은 수소 원자가 결합해 더 무거운 원자를 생성하고 막대한 에너지를 생산하는 과정이지만 방사성 폐기물을 거의 만들지 않는다. 문제는 핵융합 연료로 쓰이는 중수소는 구하기 쉽지만 삼중수소는 안정적으로 공급받기 어렵다는 점이다. 중수소는 일반 수소에 중성자가 1개 더 있는 동위원소다. 현재 상업용 삼중수소의 가치는 1파운드당 약 2000억원이다. 
 미국을 비롯한 전 세계는 삼중수소를 자체 생산할 능력이 거의 없다. 삼중수소는 상층 대기에서 자연적으로 발생하지만 삼중수소를 상업적으로 대량 공급하는 주요 국가는 캐나다가 유일하다. 
 고진석 한국핵융합에너지연구원(핵융합연) 수송연구그룹장은 "미국에서 삼중수소는 '왓츠 바 원자력 발전소(Watts Bar Nuclear Plant)'에서 군사용으로만 생산할 정도로 상업용으로 생산되는 삼중수소는 굉장히 귀하다"고 말했다. 
 타르노스키 연구원은 핵폐기물을 이용해 삼중수소를 생산하는 방식을 설계하고 여러 차례의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행해 설계한 방식의 생산·에너지 효율을 평가했다. 시뮬레이션된 원자로 설계는 입자 가속기를 사용해 핵폐기물 내 원자 분열 반응을 촉진한다. 시뮬레이션에 따르면 원자가 분열하면서 중성자를 방출하고 다른 핵 전이 과정을 거쳐 삼중수소가 생성된다. 가속기를 통해 삼중수소를 생산하는 반응을 일으킬 수 있다는 것이다.  
 고 그룹장은 타르노스키 연구원이 설계한 기술에 대해 "핵폐기물을 리튬(Li) 성분이 포함된 염(salt)을 고온에서 녹여 액체 상태로 만든 '용융 리튬염'으로 감싼 것에 가속기로 중성자를 가속시켜 쏜 뒤 상업화가 가능한 만큼 삼중수소를 생산하는 기술"이다"며 "여러가지 원소가 생성되는 경우의 수를 최신 컴퓨팅 기술을 이용해 계산함으로써 경제성 있는 삼중수소 생산 방식을 도출한 것이다"고 설명했다. 
 이어 그는 "연구결과는 삼중수소 증식비(TBR, Tritium Breeding Ratio)가 20 이상이기 때문에 최소 TBR이 1보다 커야 생산 효율이 나기 때문에 20이면 상업화 단계로 가는 '삼중수소 생산 공장'을 만들 수 있다는 의미다"며 "다만 계산한 내용이며 실증한 것은 아니다"고 덧붙였다. TBR은 생성된 삼중수소 양을 소모된 삼중수소로 나눈 수치로 삼중수소가 얼마나 효율적으로 재생산되는지를 나타내는 지표다. 
 타르노스키 연구원이 활용한 화학 반응은 널리 알려져 있는 기술이지만 새로운 방법으로 반응 효율을 높였다는 말이다. 
 타르노스키 연구원은 "일반적인 원자력 발전소에서 발생하는 핵 연쇄 반응보다 더 안전한 것으로 보인다"며 "설계의 기본 원리는 새로운 것이 아니지만 기술의 발전으로 1990년대와 2000년대 초에 처음 고려됐을 때보다 효율이 더 높아졌다"고 말했다. 
 타르노스키 연구원은 설계한 원자로에 따르면 연간 2kg의 삼중수소를 만들 수 있다고 추정했다. 캐나다가 연간 총 생산하는 삼중수소 양과 맞먹는 양이다. 타르노스키 연구원은 원자로의 효율을 더욱 더 정교하게 계산한 뒤 삼중수소 생산에 필요한 비용을 산출할 계획이다.   
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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