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 16일 발표했다.

기존에는 절대온도 근처인 영하 250도가량에서만 수소 동위원소 분리가 가능해 극저온 도달을 위해 고가의 액체헬륨(3만 원/리터)을 사용해야 했다. 영하 200도 이상의 고온에서 분리가 가능해지면 훨씬 경제적 액체질소(600원/리터)로 냉각시킬 수 있다.

중수소는 수소에 중성자가 하나 더 있는 수소의 동위원소이다. 미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심연료이자 원자력발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 대체 불가능한 자원이다. 동위원소란 원자번호는 같은데 중성자 개수가 달라 무게 차이가 나는 원소를 말한다. 이들 동위원소가 서로 섞여 있는 혼합물은 극저온에서 물리적 차이를 보인다.

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. 이러한 현상은 영하 200도 이하의 극저온에서만 가능해 고가의 액체헬륨을 사용할 수밖에 없어 어려움이 있었다.

연구팀은 극저온에서는 닫혀 있다 온도가 올라가면서 서서히 열리는 기공을 가진 다공성 물질을 이용해 더 무거운 중수소만 고온에서 기공을 통해 분리되도록 했다. 연구성과는 미국화학회지(JACS, Journal of The America Chemical Society) 11월 21일자(논문명:Exploiting Dynamic Opening of Apertures in Partially Fluorinated MOF for Enhancing H2 Desorption Temperature and Isotope Separation)에 실렸다.