본문 바로가기 주메뉴 바로가기

핵융합

  • Fusion Story
  • 핵융합
핵융합의 다른 글

202002.18

g당 3천만 원 삼중수소, 왜 이렇게 비쌀까?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/nuclear-fusion/1066

반짝반짝 빛나는 별이 수놓는, 까마득한 미지의 영역 우주 

 

반짝반짝 빛나는 별이 수놓는, 까마득한 미지의 영역 우주. 바로 이 우주를 구성하는 원소 중 가장 많은 비중을 차지하고 별을 빛나게 하는 데다, 미래 에너지의 근간으로 주목받고 있는 존재가 있습니다. 바로 ‘수소’입니다. 수소는 비단 우주와 같이 머나먼 곳을 빛낼 뿐만 아니라, 인류 가까이에 자리 잡아 우리 삶을 윤택하게 가꾸고 있는데요. 최근에는 수소차와 수소 기차 등 교통수단뿐만 아니라, 다양한 산업 분야에서 수소를 활용한 연구개발 및 상용화까지 나아가며 수소를 향한 관심과 기대를 한껏 높이고 있습니다.

 

  

|차세대 친환경 에너지의 원료 ‘수소’, 왜 비쌀까?

 

수소는 주기율표에서 원자 번호가 1인 첫 번째 원소로, 인류가 오늘날까지 발견해왔던 수많은 원소 중 가장 가볍고 간단한 구조를 가졌습니다. 수소는 지구에서 대부분 물 분자나 유기 화합물 같은 상태로 존재하고 있는데요. 지구 표면의 약 71%가 물로 덮여 있다는 것을 생각해보면, 수소를 에너지원으로 이용할 수 있다면 현재 에너지 생산의 주원료로 사용되고 있는 한정된 화석 연료를 사용하는 것보다 훨씬 저렴하지 않을까 생각할 수도 있을 텐데요. 하지만 현재 수소의 kg당 가격은 8천 원에서 1만 원 사이로, 그리 저렴한 편은 아닌데요. ℓ당 약 1,550원을 호가하는 휘발유보다도 5배 이상 비싼 몸값을 자랑하는 이유는 과연, 무엇일까요?

  

그 이유는 앞서 언급했던, 지구에서의 수소 상태 때문입니다. 수소가 지구에서 물 분자나 유기 화합물의 상태로 존재할 수밖에 없는 것은, 바로 수소의 무게가 너무 가볍기 때문인데요. 우주에서 가장 가벼운 분자인 수소는 지구의 중력으로는 잡기 쉽지 않아, 단독으로 존재하기 어렵습니다. 따라서 우리가 수소를 얻기 위해서는 물이나 화합물에 포함되어 있는 수소를 화학반응을 거쳐 추출해야 하죠. 이 과정에서 발생하는 비용이 바로 수소의 몸값을 높이는 결정적인 이유가 되는 것입니다.

 

주기율표에서 원자 번호가 1인 첫 번째 원소인 수소 

 

현재 국내에서는 석유화학에서의 부산물로부터 수소를 얻는 방식을 가장 많이 사용하고 있는데요. 하지만 수소를 저장하고 운반하는 데 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 생산량 또한 넉넉하지 않은 것이 현실입니다. 물론 이 밖에도 LNG에서 추출하거나 물 분해로 수소를 얻는 등 다양한 방법이 존재하지만, 이 또한 추출 과정에서 발생하는 경제적·환경적인 문제를 더 풀어야 한다는 과제가 남았습니다. 이에 따라 우리나라는 진정한 친환경 에너지원을 이룰 수 있도록 경제적인 수소 생산법을 지속해서 연구하고 있는데요. 오는 2040년에는 수소 1kg당 공급 가격을 3천 원으로 낮춰, 수소에너지의 경쟁력을 확보하겠다는 포부를 밝힌 바 있습니다.

 

 

|수소의 동위원소 ‘삼중수소’, 가격은 g당 2,700만 원?

 

수소는 한 가지 종류만 있는 것은 아닙니다. 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소 또한 존재하는데요. 단일 양성자로 구성된 일반 수소와 달리 양성자가 한 개에 중성자가 한 개 더 있는 것이 중수소, 중성자가 두 개 있는 것이 삼중수소입니다. 중수소와 삼중수소 또한 지구상에서 순수한 상태로 존재하기 상당히 어렵습니다. 중수소는 바닷물 1ℓ당 0.03g이 들어있어, 추출할 경우 무한에 가깝습니다. 이렇게 중수소는 무한한 바닷물을 전기 분해하여 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 이에 수반되는 비용 또한 무시할 수 없습니다. 혹은 수소 혼합물에서 중수소를 분리하는 방법도 있지만, 영하 250℃ 이하의 극저온 환경이 필요하기에 고가의 액체 헬륨 냉매가 필요하다는 점에서 역시 경제적인 편은 아닙니다. 다행히 중수소를 추출하는 다양한 방법이 연구되고 있으며, 국내 연구진은 최근 냉매 가격을 1/50로 줄일 수 있는 중수소 생산 방법을 개발해 주목받기도 했습니다.

  

☞"'인공태양' 연료 중수소 생산비용 줄였다…냉매 가격 1/50로" 관련 뉴스 바로가기

 

하지만 진짜 높은 몸값을 보이는 수소는 삼중수소입니다. 삼중수소는 자연상태로는 거의 존재하지 않아 주로 인공적인 방법을 이용해 산업적으로 쓰이는 삼중수소를 확보해야 합니다. 삼중수소는 대부분 리튬-6에 중성자를 쏘는 방식으로 생산되며, 리튬-6가 중성자를 잘 흡수하기에 효율적으로 삼중수소를 많이 생산할 수 있다는 장점이 있죠. 하지만, 이렇게 특수한 방법으로 생산되는 탓에 g당 약 2,700만 원이라는 어마어마한 가격을 자랑하기도 합니다. 또 다른 삼중수소를 얻는 방법은 중수로형 원전에서 폐기물로 나오는 것을 활용하는 것입니다. 삼중수소제거설비(TRF)를 이용해 원전 가동 과정에서 나오는 중수에서 삼중수소를 분리해 저장하여 생산하는 것인데요. 우리나라는 월성원자력발전소에 세계 두 번째로 산업용 삼중수소를 생산할 수 있는 설비가 있습니다.

단일 양성자로 구성된 일반 수소와 달리 양성자가 한 개에 중성자가 한 개 더 있는 것이 중수소, 중성자가 두 개 있는 것이 삼중수소이다. 

 

|삼중수소 자가증식 시스템, 핵융합 에너지의 경제성 높인다


이렇게 엄청난 비싼 몸값에도 불구하고 수소와 수소의 동위원소인 중수소, 삼중수소에 주목하는 이유는 바로 인류의 중요한 미래 에너지원으로 쓰일 수 있기 때문입니다. 특히 중수소와 삼중수소는 꿈의 미래 에너지로 불리는 ‘핵융합에너지’의 연료인데요. 핵융합에너지가 꿈의 에너지로 불리는 이유는 연료가 풍부하고, 심각한 사고의 위험이 없는 안전에너지이자, 고준위 방사성폐기물이나 온실가스의 배출이 없는 친환경 에너지이기 때문입니다.

 

하지만 앞서 설명한 것처럼, 중수소와 삼중수소의 가격이 그렇게 높다면 핵융합이 과연 경제적인 에너지가 될 수 있을지 의문입니다. 중수소야 바닷물에 포함되어 있으니 추출할 수 있는 경제적인 방법을 개발하면 되지만, 삼중수소는 자연적으로 존재하는 양이 거의 없다면 획기적으로 생산하는 방법이 개발되어야 할 것입니다.
 
그래서 삼중수소를 주 연료로 하는 핵융합 발전을 실현하기 위해 반드시 동반되어야 하는 것이 효율적인 삼중수소 생산 방법입니다. 이를 위해 핵융합 연구계에서는 값비싼 삼중수소를 보다 효율적인 얻을 수 있는 기술 확보에 대한 논의가 활발히 진행하고 있습니다.

 

효율적인 핵융합에너지의 탄생을 위해, 핵융합 연구진은 삼중수소를 핵융합로 내에서 스스로 만들 수 있는 시스템을 개발하고 있습니다. 구하기 어렵다면, 핵융합로에서 직접 만들어 쓸 수 있도록 하겠다는 정말 획기적인 아이디어이지요? 방법은 이러합니다. 처음에는 핵융합로 안에 핵융합 반응 시작할 수 있도록 연료인 중수소와 삼중수소를 소량 넣습니다. 핵융합 반응이 시작되면 핵융합 반응의 결과물인 중성자를 이용해 자체적으로 삼중수소를 만드는 것입니다. 이것이 가능하도록 하는 것이 ‘블랑켓(Blanket)’이라는 장치인데요. 담요라는 뜻처럼, 핵융합로 1차 벽인 블랑켓은 핵융합 반응이 일어나는 공간인 진공용기 내부를 감싸고 있는 형태로, 핵융합 반응 결과로 튀어나오는 중성자를 수집하는 역할을 합니다. 블랑켓에 수집된 중성자의 높은 운동에너지는 열에너지로 바뀌어 블랑켓 안쪽을 흐르는 냉각수를 가열해 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 동시에, 블랑켓 안쪽에 있는 리튬층에 중성자가 도달하면 리튬과 중성자의 반응 결과 삼중수소가 만들어집니다. 이중 핵융합 반응에 사용되지 않은 삼중수소는 불순물과 섞여 배출되고, 이 배출물에서 삼중수소만 분리 및 정제하여 저장하면 다시 핵융합의 연료로 사용할 수 있게 됩니다.

 

블랑켓을 활용해 핵융합로 내에서 삼중수소를 자가증식할 수 있는 시스템을 마련하기 위한 연구가 진행 중이다. 

 

이처럼 블랑켓을 활용해 핵융합로 내에서 삼중수소를 끊임없이 만들어 자가증식할 수 있는 시스템이 마련된다면, 핵융합에너지의 경제적 가치는 훨씬 올라가게 될 것입니다. 이 원리를 적용한 블랑켓은 현재 국제핵융합실험로(ITER)에 채택되어 삼중수소 자가증식을 지속할 수 있는 연구를 수행하고 있습니다. ITER를 통해 이러한 삼중수소 생산 방법이 검증된다면, 더욱 경제적인 핵융합에너지를 탄생시킬 수 있을 테고요.

 

이와 같이 수소와 수소 동위원소들은 미래 에너지 산업을 주도할 중요한 자원으로 꼽히고 있습니다. 특히 우리 정부는 지난 1월 ‘수소경제법(수소경제 육성 및 수소 안전관리에 대한 법률)’을 제정하는 등 수소시대를 맞이하기 위한 준비에 한창인 모습인데요. 우리나라뿐 아니라 일본, 중국, 유럽 각국에서도 수소산업 생태계를 조성하고 산업 인프라를 구축하기 위해 바삐 움직이고 있습니다.

 

아직은 ‘수소’ 원료의 양적 확보, 경제적 생산 방법 등 해결해야 할 문제들이 남아있지만, 하나둘 해결해나간다면 미래의 에너지원으로 자리매김할 수 있을 것입니다. 무엇보다 중수소와 삼중수소를 원료로 사용하는 핵융합으로 전기 생산이 가능해진다면, 진정한 청정 수소에너지 시대가 가능해지겠지요? 두 에너지의 시너지가 발휘되어 그 진가를 보이는 그날이 어서 도래하기를 응원해봅니다.


 

  •  좋아요 bg
    0
    좋아요 bg
  •  카카오스토리 공유 bg
    239
    카카오스토리 공유 bg
  •  카카오톡 공유 bg
    239
    카카오톡 공유 bg

댓글 0

정보에 대해 만족하십니까?

TOP