‘삼중수소 자원화기술 개발’ 과제는 한전 전력연구원의 주관 하에 삼창기업주식회사가 참여기업으로 한국원자력연구소와 한국과학기술원이 위탁기관으로 참여해 연구를 수행하고 있다. 이번 과제는 2006년 9월 1일 착수, 2010년 8월까지 48개월간 수행될 예정이며, 연구비는 60억6000만원이 투입될 예정이다. 삼중수소란 수소 동위원소 중의 하나로 에너지가 낮은 베타선을 방출하면서 헬륨-3으로 붕괴하는 방사성 물질인 동시에 핵융합 연료나 자발광 선원 등 연구용 및 산업용으로 활용이 가능한 귀중한 원소다.

◆연구 필요성 

삼중수소는 산업용, 의료용, 연구용 등으로 활용이 가능한 고가의 원소로서, 우리나라를 비롯해 대부분의 국가가 전량 수입에 의존하고 있다.

특히, 최근에 국제핵융합실험로(ITER:International Thermo-nuclear Experimental Reactor) 건설 프로젝트가 착수되면서 삼중수소는 동 시설의 핵융합실험 연료로도 매우 중요한 물질이 되고 있다. ITER에 공급되어야 하는 삼중수소 양은 월성원전 삼중수소제거시설(TRF: Tritium Removal Facility)에서 30년 이상 생산되어야 할 만큼 많은 양이다.

하지만 삼중수소는 국가간 수출입통제를 받고 있는 민감한 물질이다. 이를 자원으로 활용하기 위해서는 삼중수소 이용에 대한 국제적인 신뢰도 확보가 중요하다. 즉, 삼중수소를 자원으로 활용하기 위해서는 국내외 법 및 관련 규정을 준수해야 하고 고객이 원하는 형태 및 양으로 만들어 줘야 한다. 이를 위해서는 우선적으로 국내외 관련 법 및 규정을 준수할 수 있는 삼중수소 계량인증기술과 분배시스템이 구축돼 있어야 한다.

삼중수소 기술도 국가간 수출입통제를 받는 민감기술이기 때문에 선진국으로부터의 기술이전에 제약이 많으며, 설사 해외에서 기술도입이 되더라도, 타 분야 활용 또는 제 3국 수출시 기술 공급국의 승인을 받아야 해서 자체 기술개발이 반드시 필요하다. 선진국들도 다른 나라에 기술적으로 예속되는 것을 피하기 위해서 자국 고유의 기술을 개발해 왔다.

◆무엇을 연구하나

‘삼중수소 자원화 기술개발’과제는 중수로 원자력발전소인 월성원자력발전소에서 생산되는 삼중수소를 새로운 고 부가가치 자원으로 활용하기 위해 우선적으로 필요한 삼중수소 계량인증기술과 관련 시설을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 본 과제에서는 삼중수소 계량인증에 필요한 요소기술을 개발하고 이와 관련한 삼중수소 분석 및 측정장치, 삼중수소 분배시스템, 삼중수소 회수장치, 삼중수소 제거장치 등 관련 설비들을 설계, 제작, 설치해 운영하고자 한다.

또한 삼중수소를 원하는 형태로 필요한 양 만큼 담는데 필요한 특수 저장용기와 이를 수송하는데 필요한 운반용기를 개발해 삼중수소 수출에 대비하고자 한다. 그리고 삼중수소를 다량 취급함에 따라 발생할 수 있는 방사성 폐기물들을 처리할 수 있는 기술을 개발하고, 삼중수소를 안전하고 정확하게 관리할 수 있는 삼중수소 관리 전산 프로그램을 개발해 활용하고자 한다.

마지막으로 삼중수소 수출과 관련한 국내외 법 및 관련 규정과 국제협약 등을 조사 분석하여 우리나라의 삼중수소 수출 체제를 재정립할 예정이다.

◆기대효과

삼중수소 자원화는 크게 두 가지 측면에서 큰 효과를 기대할 수 있다.

첫째는 삼중수소의 자원화에 따른 경제적인 효과가 매우 크다는 점이다. 월성원전 TRF에서 생산되는 삼중수소를 상품화해 국내 수요를 충당하고 해외에 수출하면 막대한 경제적 효과를 얻을 수 있다. 월성원전 TRF에서 생산되는 삼중수소 양은 연간 700g으로, 이를 경제적 가치로 환산하면 연간 약 200억원이 된다.

둘째는 삼중수소를 방사성 폐기물로 처분시 예상되는 문제점을 해결할 수 있는 대안이라는 점이다. 월성원전 TRF에서 생산된 삼중수소는 안전한 보관을 위해 삼중수소화 티타늄의 형태로 저장용기에 넣어 저장고에 장기 보관된다. 삼중수소의 반감기는 약 12.35년으로 월성원전의 수명 종료 후에도 월성원전 TRF에 보관된 삼중수소는 중저준위 폐기물 처분장에서 수용할 수 있는 준위보다 훨씬 높기 때문에 폐기물 처분장으로 보낼 수 없다. 이러한 문제도 삼중수소를 자원으로 활용하게 되면 해결할 수 있다.

◆연구현황 및 앞으로의 계획

외국의 경우를 살펴보면, 캐나다는 중수로형 원자력발전소 개발 국가로서 삼중수소 기술을 주도적으로 개발해 왔다. 달링톤 원전에 TRF를 건설해 삼중수소를 생산, 전 세계에 공급하고 있다. 미국과 러시아는 군사용 삼중수소의 생산과 활용을 위한 기술과 시설을 보유하고 있으며, 유럽과 일본은 삼중수소 생산시설은 없으나, 핵융합 관련 삼중수소 기술개발을 활발히 진행하고 있으며, 삼중수소를 사용하는 조준경 부품, 비상구표시등, 시계문자판, 나침반 등을 개발 생산하고 있다.

우리나라는 월성원전 TRF 건설이 추진되면서 삼중수소 관련 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 삼중수소 분리용 소수성 촉매 및 액상 촉매탑을 개발해 세계 최초로 상용화에 성공했고, 삼중수소 저장용기를 국산화해 실용화한 바 있다. 삼중수소를 이용한 응용제품으로 삼중수소를 사용하는 자발광유리관 제조기술을 개발했고, 최근에는 삼중수소를 이용한 마이크로전지를 개발 중에 있다. 그러나 삼중수소 완제품, 삼중수소 저장 및 활용에 사용되는 게터 등은 전량 수입에 의존하고 있으며, 삼중수소 계량 및 포장 등 삼중수소 취급기술에 대한 수요가 없어 이 분야에 대한 국내 인프라가 매우 취약한 상태다.

때문에 이번 과제를 통해 우선 방사성 물질인 삼중수소를 취급할 수 있는 삼중수소 실험실을 만들어 향후 기술 개발에 필요한 기반을 구축하고자 한다. 삼중수소 계량인증에 반드시 필요한 삼중수소 분석 및 측정기술은 크게 3가지 방향으로 추진할 예정이다. 먼저 질량분석기와 가스크로마토그래피 방법을 이용한 수소동위원소 분석기술을 개발하고, 금속에 저장된 삼중수소를 직접 측정할 수 있는 칼로리미터를 개발하고자 한다.

또한 공기 중 삼중수소 농도를 측정할 수 있는 삼중수소 감시장치를 국산화할 예정이다. 삼중수소 분배장치를 포함하는 삼중수소 취급시설들의 개념설계를 거처 기본설계가 확정되면 이를 토대로 규제기관에 방사성 동위원소 사용시설로서 인허가를 신청할 예정이다.

마지막으로 삼중수소를 정확하게 관리할 수 있도록 삼중수소 재고관리 프로그램을 개발해 실제 활용할 예정이다. 연구가 계획대로 진행되면 월성원전 TRF에서 생산되는 삼중수소를 새로운 자원으로 활용할 수 있는 모든 기반들이 갖춰지는 것이다. 

<인터뷰> 손순환 전력연구원 원자력발전연구소 책임연구원

“2007년부터 월성원전 TRF에서 삼중수소가 생산되면 우리나라는 세계 몇 안 되는 삼중수소 생산국이 됩니다. 현재 세계적으로 삼중수소를 생산할 수 있는 나라는 미국, 러시아, 캐나다 등에 불과합니다. 그러나 미국 및 러시아는 군사용 삼중수소로 판매에 제약이 많기 때문에, 캐나다가 세계 시장의 대부분을 공급하고 있는 실정이죠.”

손순환 전력연구원 원자력발전소 책임연구원은 이번 과제를 통해 삼중수소 계량인증기술 및 관련 시설이 확보되는 2010년 이후면 우리나라도 삼중수소 생산 공급국으로서 당당한 위치에 올라설 수 있을 것이라고 말한다.

“그동안 중수로형 원자력발전소의 가장 큰 문제점으로 인식되어 온 삼중수소를 미래의 에너지원으로 활용할 수 있다는 점에서 시사하는 점이 매우 큽니다. 우리나라는 2003년 12월 ‘방사선 및 방사성동위원소 이용 진흥법’이 통과됨으로써 방사성동위원소를 이용하는 Radiation Technology(RT) 산업이 앞으로 국내에서도 크게 활성화될 전망입니다.”

손 책임연구원은 삼중수소 자원화는 RT, BT 등과 관련돼 타 분야로의 파급효과가 클 것으로 전망될 뿐만 아니라, 특히 핵융합의 연료 등 미래 에너지 자원 확보차원에서도 전략적으로 추진돼야 하는 분야라고 강조한다. 이번 과제를 통해 확보되는 삼중수소 기술들은 핵융합발전소의 삼중수소 공장의 설계 및 건설에도 참여할 수 있는 기회를 제공하고, 국내 RT 산업 육성에 크게 기여할 것이라는 설명이다. 하지만 삼중수소는 핵과 관련한 위험물질이기 때문에 제약조건이 따른다는 것이 한계다.

“삼중수소, 삼중수소 기술 및 관련 설비 등은 국가간 수출입 통제품목입니다. 수출입통제의 목적은 통제품목을 수출할 때 ‘평화적 이용보장, 안전조치적용, 안전조치를 받지 않은 재이전 금지’ 등의 조건과 절차 등 제도적 장치를 구축해 원자력의 평화적 이용이 핵무기 개발에 이용되지 않도록 하는데 목적이 있습니다. 우리나라와 캐나다는 월성원전 TRF 설계용역 계약 시 삼중수소 협정을 체결했으며, 삼중수소 및 삼중수소 관련기술을 제 3국에 이전하는 경우 사전에 캐나다의 사전 승인을 받도록 되어있습니다.”

따라서 삼중수소 활용에 대한 국제적인 투명성 및 신뢰도를 확보하는 것이 우선적으로 필요하다고 손 책임연구원은 말한다.

“이번 과제에서는 국제 기준에 부합되는 기술 개발 및 관련 시설을 확보하는데 주력할 예정입니다. 삼중수소를 정확하게 분석, 계측하고, 엄격하게 관리하는 것이 무엇보다 중요하며, 그 결과에 대한 신뢰도를 확보하는 것이 매우 중요하기 때문이죠.”

손 책임연구원은 “삼중수소 활용을 위해서는 정부, 한수원(주), 계량인증기관 및 산업체와의 상호 협력이 무엇보다 중요하다”며 “관련된 모든 기관이 국내외 법 및 관련 규정을 준수해 삼중수소 활용과 관련한 모든 절차가 투명하게 수립할 것”이라고 강조했다.