미국-스위스 공동 연구팀 성과
독성 물질 수은 통한 기존 추출법… 현재는 금지돼 사실상 생산 중단
친환경 물질 제타-바나듐 산화물… 리튬 동위원소 선택적 포획 성공
주요 선진국 속속 연구 뛰어들어… 韓, 핵융합 선도하려면 기술 필수

한국초전도핵융합연구장치(KSTAR). 과학기술정보통신부 제공

핵융합 연료 생산에 필수적인 ‘리튬-6’를 수은 없이 분리할 수 있는 새로운 친환경 기술이 개발됐다. 태양이 에너지를 만드는 원리와 유사해 ‘인공태양’으로 불리는 핵융합 에너지 원료 공급 판도가 뒤바뀔 것이란 전망이 나온다.

사르바짓 바네르지 미국 텍사스A&M대·스위스 취리히연방공대 교수 연구팀은 자연계에서 존재하는 리튬에서 리튬-6 동위원소(같은 원소지만 중성자 수가 다른 원소)를 분리하는 데 수은 대신 제타-바나듐 산화물(ζ-V₂O₂)이라는 무기 화합물을 사용하는 새로운 공정을 개발하고 연구 결과를 국제학술지 ‘켐(Chem)’에 20일(현지 시간) 발표했다. 

● 수은 쓰지 않고 순도 높은 리튬-6 생산

리튬-6는 리튬-7과 함께 리튬을 구성하는 안정적인 동위원소다. 핵융합 반응을 일으키는 삼중수소의 핵심 원료다. 바닷물과 같은 자연에 존재하는 리튬에서 인공적으로 분리해 얻을 수 있지만 60여 년 전 생산이 사실상 중단됐다. 기존 분리 공정인 칼럼교환(COLEX) 방식에서 사용되는 액체 수은이 환경 오염을 일으키기 때문이다.

미국은 1963년 COLEX를 비롯한 수은 기반 공정을 금지했다. 현재 전 세계 연구기관들은 당시 생산된 리튬-6 비축분을 활용하고 있다. COLEX 공정은 액체 수은과 수산화리튬(LiOH) 용액 사이에서 리튬-6가 수은에 더 잘 녹는 특성을 활용해 리튬-6와 리튬-7을 분리하는 방식이다.

이번 연구에서는 리튬-7과 리튬-6를 분리하는 핵심 소재로 독성이 없는 무기 화합물을 사용했다. 리튬이온을 포획하는 능력이 뛰어나 배터리 전극 소재로 주목받는 제타-바나듐 산화물이 리튬의 동위원소까지 선택적으로 포획하는 능력이 있음을 확인했다.

연구팀의 실험에서 리튬이온이 포함된 수용액을 흐르게 한 상태로 전압을 가하자 양전하를 띤 리튬 이온이 음전하를 띤 제타-바나듐 내부로 끌려 들어가는 현상이 발생했다. 이때 리튬-6와 리튬-7은 서로 다른 움직임을 보였다. 제타-바나듐은 상대적으로 질량이 가벼운 리튬-6를 더 강하게 붙잡고 상대적으로 무거운 리튬-7은 더 쉽게 빠져나갈 수 있게 했다.

제타-바나듐을 활용한 리튬-6 동위원소 농축 과정을 표현한 이미지. 상대적으로 질량이 무거운 리튬-7이 포획되지 않고 튕겨나가는 모습을 나타냈다. 해리스 콜·앤드루 에자지 제공

연구팀은 이 같은 원리를 ‘스프링’에 비유하며 “리튬-7은 더 무겁기 때문에 쉽게 튕겨져 나가지만 리튬-6는 더 가볍기 때문에 제타-바나듐과 단단히 결합한다”고 설명했다. 또 리튬 이온이 제타-바나듐에 흡착될 때는 색상도 바뀌었다. 밝은 노란색에서 짙은 올리브색으로 변화하며 동위원소가 분리되는 과정을 육안으로 확인했다.

실험 결과 제타-바나듐 기반 공정은 단 한 번의 분리 공정으로 자연계 리튬에서 리튬-6의 농도를 5.7%로 증가시켰다. 핵융합 원료를 만드는 데 적합한 농도 30% 이상의 리튬-6를 얻기 위해선 이 공정을 25회 반복해야 한다. 45회 반복하면 90% 이상의 고농도 원료를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 기존 COLEX 공정에 버금 가는 효율이다.

● 한국도 리튬-6 분리 기술 자체 개발 필요

한국은 국제핵융합실험로(ITER)에 참여하고 한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR)를 직접 운영하는 등 핵융합 에너지 초기 선도국으로 꼽히지만 에너지 상용화를 위해 반드시 필요한 리튬-6는 전량 수입에 의존하고 있다. 미국에서 전략물자로 분류된 리튬-6는 엄격한 수출 규제가 따라붙는다.

이에 따라 국내 전문가들은 핵융합 에너지 상용화 시대에 대비하기 위해선 친환경적인 리튬-6 분리 기술을 자체 개발할 필요가 있다고 말한다. 한국은 2013년 연구용으로만 사용하기로 한다는 조건으로 미국 오크리지 국립연구소에서 500g을 구매한 것이 마지막 수급이다. 단가는 g당 약 10만 원에 달했다. 한국핵융합에너지연구원이 운영 중인 KSTAR에서 핵융합 연료인 삼중수소를 만드는 장비인 증식블랭킷에는 농도 90% 이상의 리튬-6가 10t 이상 필요하다. 2013년 구매 단가를 기준으로 하면 가격은 1조 원에 이른다.

주요 선진국은 이미 리튬-6 분리 공정 개발에 적극 나섰다. 일본 방사선의학연구소(QST)는 2010년대 초반부터 분리막을 이용해 분리·농축하는 기초연구를 진행하고 있다. 유럽연합(EU)도 리튬 동위원소의 분리 및 농축 관련 기술 개발을 들여다보고 있는 것으로 파악된다.

한국은 1980년대 중반 이온교환수지를 활용하는 방식의 연구가 수행됐지만 이후로는 관련 연구가 미미한 상황이다. 박이현 핵융합에너지연 책임연구원은 “핵융합에너지연에선 리튬-7만이 통과하는 분리막을 활용하는 방식을 모색 중”이라며 “현재는 관련 데이터를 확보하고 있는 단계”라고 말했다.

박정연 동아사이언스 기자 hesse@donga.com

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