그래핀으로 원전 폐수 속 삼중수소 잡는다

후쿠시마 제1원전 오염수 보관·측정 탱크군./연합뉴스

엄우용 포스텍 첨단원자력공학부·환경공학부 교수 연구진이 방사성 폐수 속 위험한 삼중수소를 액체 상태에서 분리할 수 있는 그래핀 기반 기술을 개발했다.

삼중수소는 원자력 발전소에서 생성되는 방사성 수소로, 대부분 물 분자 형태로 존재한다. 인체에 유입되면 내부에서 방사선을 방출할 수 있어 철저한 관리가 필요하지만 지금까지는 삼중수소를 기체 상태에서만 분리할 수 있을 뿐, 액체상의 삼중수소 제거는 큰 과제로 남아 있었다.

연구진은 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 물질인 ‘그래핀(graphene)’에 주목했다. 원자 한 겹 두께의 그래핀은 양성자만을 통과시키고, 삼중수소를 포함한 다른 방사성핵종은 차단하는 특수한 분리 능력이 있다. 이번 연구에서 연구진은 플라스틱의 한 종류인 테플론(PTFE)을 고분자 전해질막인 ‘나피온(Nafion)’에 더하고, 그 위에 그래핀을 전사해 분리막을 완성했다.

분리막을 테스트한 결과, 전기장을 가했을 때 가벼운 수소 이온은 막을 빠르게 통과하지만, 무거운 중수소와 삼중수소는 막을 통과하지 못하고 농축되는 현상이 나타났다. 상대적으로 더 무거운 수소 동위원소는 이동 시 더 큰 에너지 장벽을 느껴 이동이 억제되는 것을 입증한 것이다. 농도 차이에 의한 확산 실험에서도 삼중수소가 양성자보다 막을 통해 3.1배 느리게 이동하는 것으로 나타났다.

이 기술의 가장 큰 장점은 원전 폐수처럼 상온 액체 상태에서도 삼중수소를 높은 수준으로 분리할 수 있다는 것이다. 특히 기존 상용화된 기술은 높은 공정 비용이 필요했으나, 개발한 분리막을 활용하면 물 상태 그대로 상온에서 삼중수소를 걸러낼 수 있다. 이를 적용하면 후쿠시마 오염수와 같은 원자력 발전소 방사성 폐수를 효과적이면서 안전하게 처리할 수 있을 것으로 기대된다.

엄우용 교수는 “이번 기술은 원자력과 핵융합 산업의 방사성 폐수 문제 해결 및 삼중수소 활용에 큰 도움이 될 것”이라며 연구의 의의를 전했다.

이번 연구는 미 화학회(ACS)에서 발간하는 재료 분야 국제 학술지 ‘ACS 응용 물질 및 계면(Applied Materials & Interfaces)’ 온라인판에 지난 7월 2일 게재됐다.

참고 자료

Applied Materials & Interfaces(2025), DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.5c08414

홍아름 기자(arhong@chosunbiz.com)

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