독일 헬름홀츠 드레스덴-로센도르프 연구센터(HZDR) 연구진, 세계 최초 제올라이트 활용 수소 동위원소 고효율 분리 성공
- 핵융합 발전에서는 중수소와 삼중수소를 융합해 에너지를 생산하지만, 연료가 모두 소모되는 것은 아님
- 반응 후 남은 중수소·삼중수소와 프로튬 혼합물을 다시 분리해 적정 비율로 재사용해야 함
- 문제는 세 동위원소가 원자핵의 중성자 수만 다를 뿐 화학적 성질은 거의 동일해 기존 분리법으로는 효율적인 구분이 어렵다는 점임
은 이온이 들어간 제올라이트로 동위원소 선택적 흡착
- 연구진은 다공성 결정 물질인 제올라이트(Zeolite) 내부의 나트륨 이온을 은 이온으로 치환해 수소 분자와의 전자구조 상호작용을 유도함
- 세 동위원소의 영점 에너지 차이(Zero-point Energy)로 인해, 에너지가 낮은 중수소와 삼중수소가 은 이온에 더 강하게 결합함
- 이에 따라 연구진은 제올라이트를 가열하면 프로튬이 가장 먼저 떨어져 나오고, 이후 중수소, 마지막으로 삼중수소가 방출되는 온도 차이를 활용해 동위원소를 분리함
삼중수소 가장 강하게 결합… 한 번의 공정에서도 높은 분리효율
- 실제 삼중수소 혼합물 실험에서 은 함유 제올라이트 처리 후 동위원소 비율이 1(H₂):41(D₂):175(T₂)로 크게 분리됨
- 즉, 삼중수소가 가장 강하게 유지되고 프로튬은 거의 흡착되지 않아, 두 동위원소 간 실험에서 가장 높은 선택성을 확인함
- 연구진은 단일 분리 단계의 고효율성을 강조하며, 이론으로만 존재하던 삼중수소의 양자역학적 분리 효과를 세계 최초로 실험적 입증했다고 설명함
방사선 노출에도 성능 유지
- 삼중수소는 베타선을 방출하며 붕괴하기 때문에 장기간 사용 시 제올라이트 내부의 은 이온 구조를 손상시킬 가능성이 있음
- 그러나 연구진은 수 시간 동안 삼중수소에 노출한 뒤에도 분리 성능이 측정 가능한 수준으로 감소하지 않았다고 밝힘
- 다만 이는 장기 운전 안정성을 입증한 것은 아니며, 실제 핵융합 설비에 적용하려면 장기 내구성, 대규모 공정 설계, 확장성 등을 추가로 검증해야 함
핵융합뿐 아니라 의료·소재 연구에도 활용 가능
- 연구진은 본 기술이 현재 기초연구 단계임을 밝히며, 향후 다양한 다공성 물질과의 비교 분석을 통해 동위원소 분리 효율을 극대화할 소재와 메커니즘을 규명할 계획임
- 향후 기술이 발전하면 핵융합 연료주기에서 삼중수소를 효율적으로 회수· 재사용하는 기술뿐 아니라, 의료용 동위원소 분리와 첨단 소재 연구에도 활용 가능해질 전망임
