화석연료와 비교했을 때 원자력 발전이 오염물질을 방출하지 않는다곤 하지만 폭파의 위력이 너무나 거세 이에 대해 국제적으로 논란이 많다. 특히 지난 2011년 쓰나미로 인해 발생한 일본 후쿠시마 제1원전 핵발전소 폭발사고는 원전 피해의 참상을 그대로 보여주기도 했다.
당시의 사고로 인해 많은 사람들이 알게 된 것은 ‘세슘-137′ 이라는 방사성 물질이었다. 이는 방사성 원소 중 가장 위험한 물질로 반감기가 30년이기 때문에 오염된 지역은 그 상태가 오랫동안 지속될 수밖에 없다. 무엇보다 세슘염은 물에 잘 녹기 때문에 주변 환경으로 빠르게 확산되며 농작물 등 식물 속으로 흡수가 잘 될 뿐 아니라 체내 근육조직에도 축적된다. 세슘-137이 체내에 다량 축적될 경우 심각한 질환을 일으킬 수 있으며 소량만 섭취해도 각종 암의 원인이 될 수 있다.
이 때문에 원자력 발전 과정 가운데 핵연료 재처리 과정은 매우 중요하다. 재처리 과정에서 발생하는 폐수뿐 아니라 오염된 지하수와 토양, 바닷물로부터 방사성 세슘을 제거하는 것은 인류안전과 직결되기 때문이다.
그렇다면 이미 바닷물이나 지하수 등에 녹아있는 세슘의 경우는 어떻게 해야 할까. 물론 나트륨과 칼슘, 마그네슘 등의 농도에 비해 훨씬 낮긴 하지만 이들 방사성 세슘을 선택적으로 제거하기 위해서는 선택도가 높고 효율적이 흡착제가 필요하다는 게 현 학계의 목소리다.

방사성 세슘 농도에 상관없이 흡착

이런 가운데 국내 연구진이 농도에 관계없이 방사성 세슘을 흡착할 수 있는 물질을 개발해 주목을 받고 있다. 윤경병 서강대 화학과 교수팀이 슈보다타 연구교수, 문원경 박사과정 연구원, 최도영 석사과정 연구원, 황인철 나노물질연구소 교수 등과 함께 이번 연구를 진행, 화학분야 국제학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 지에 논문을 게재했다. 특히 해당 논문은 ‘앙케반테 케미’ 지에 게재되는 논문 중 상위 5퍼센트(%) 이내의 중요도를 갖는 VIP(Very Important Paper) 논문으로 선정돼 그 성과를 엿볼 수 있다.
그간 노출된 세슘-137을 수습하는데 사용된 물질은 ‘타이타노실리케이트’ 였다. 이는 티타늄과 실리콘 산화물로서 지금까지 가장 우수한 성능을 보이는 물질로 전해졌다. 하지만 그럼에도 불구하고 매우 낮은 농도로 존재하는 세슘-137을 효과적으로 제거할 수 있는, 더욱 강력한 흡착제에 대한 개발의 필요성이 요구돼 왔다. 타이타노실리케이트의 흡착 농도가 만족할 만큼 정교하지 못했기 때문이다. 그러나 지난 20년간 수많은 연구진의 노력에도 불구하고 타이타노실리케이트보다 더 우수한 물질은 발견되지 않았다.
“현재 방사성 세슘을 제거하기 위해 타이타노실리케이트가 사용되고 있습니다. 하지만 타이타노실리케이트는 방사성 세슘 농도가 1피피엠( ppm) 이하로 낮아지면 흡착능력이 떨어진다는 단점이 있죠. 우리 연구진은 기존 타이타노실리케이트 흡착제보다 40배 이상 흡착 성능이 뛰어난 신규물질, ‘바나도실리케이트 SGU-45′를 개발했습니다. 이는 바나듐과 실리콘을 주 원소로 하는 다공성 물질이에요. 서강 대학교-45(Sogang University-45)란 의미로 ‘SGU-45′라 명명했죠.”
윤경병 교수팀이 개발한 SGU-45는 세슘 농도가 낮을수록 세슘에 대한 흡착력이 더욱 높아지며 나트륨 같은 경쟁이온들이 다량 존재하는 경우에도 세슘만을 선택적으로 흡착할 수 있다는 특징을 갖는다. 흡착력의 비밀은 오염수 속 방사성 세슘이 해당 물질 내부의 칼륨 이온과 이온을 교환하면서 내부로 이동하는 데 있다. 흡착속도도 기존 타이타노실리케이트보다 두 배 이상 빠르다.
“SGU-45는 지하수와 바닷물, 사용한 핵연료 재처리 과정에서 얻어지는 방사성 폐수에 존재하는 방사성 세슘을 아주 낮은 농도에서부터 높은 농도까지, 즉 농도에 상관없이 기존 타이타노실리케이트보다 훨씬 더 잘 흡착하는 것으로 나타났습니다. 특이하게도 SGU-45는 기존 물질과 다르게 세슘의 농도가 낮아질수록 세슘에 대한 선택도가 더 높아지는 특성을 보였죠.
수명이 다한 핵연료봉은 재처리 공장에 보내진 후, 재처리 과정을 거쳐 남아있는 핵연료를 회수하고 연료봉에 생긴 방사성 세슘-137 등 방사성 원소들을 제거합니다. 이 과정에서 세슘-137이 녹아 있는 강산 또는 강알칼리성 폐수가 발생하는데 이 폐수에 녹아있는 세슘-137을 효과적으로 제거해 주지 않으면 재처리 공장의 지속적인 가동이 어렵게 돼요. SGU-45는 강산성과 강염기성에서도 안정할 뿐 아니라 강산성 및 강염기성에서도 다량의 다른 이온들이 존재하는 악조건에서도 세슘-137을 매우 잘 흡착하는 성질을 보입니다. 또한 SGU-45는 또한 한 세슘 원자가 주위의 16개의 다른 원자와 결합하는 현상을 보이고 있죠. 원자들은 다른 원자들과 결합해 물질을 만드는데 한 원자가 16개의 다른 원자와 결합하는 예는 이번이 처음입니다.”

방사성 세슘 포집에 관심 ↑… 후쿠시마 사태 후 연구 본격화

사실 바닷물이나 지하수, 핵폐기물 재처리 폐수 속에 세슘-137이 있지만 칼륨이나 나트륨 등 다른 경쟁 양이온이 훨씬 더 많이 녹아있다. 이를테면 오염된 바닷물의 경우 세슘-137의 농도가 1 ppm 이라면 가장 흔한 경쟁이온인 Na+이온(나트륨 이온 또는 소디움 이온)의 농도는 100,000 ppm 이상이다.
이렇게 많은 양의 경쟁 이온이 존재하는 환경 속에서 상대적으로 극미량으로 존재하는 세슘-137만을 선택적으로 추출하기 위해서는 이온교환제 혹은 흡착제는 세슘-137에 대한 선택도가 매우 높아야 한다. 더불어 세슘-137의 강한 방사능 때문에 유기물질로 된 이온교환제 또는 흡착제는 방사능에 피폭돼 분해되므로 반드시 무기물질로 된 흡착제 또는 이온교환제여야 했다.
“이를 극복하는 흡착제를 개발하기 위해 노력했습니다. 세슘 이온은 덩치가 매우 큰 이온이고 전자가 풍부한 음성성이 강한 이온입니다. 현재 후쿠시마에서 사용되는 타이타노실리케이트가 가장 우수한 성능을 보이고 있으므로 티타늄보다 양성성이 더 강한 금속원소를 사용하면 음성의 성질을 가진 세슘을 더 잘 포획할 수 있을 것이라 생각했어요. 티타늄보다 양성이 강한 바나듐을 사용해 바나도실리케이트를 합성하기에 이르렀습니다. 이 물질의 합성에 성공한 후 세슘에 대한 선택성을 조사한 결과 예상과 들어맞았죠.”
방사성 세슘 포집에 꾸준히 관심을 갖고 있던 윤경병 교수는 2011년 후쿠시마 원전 사고 이후 연구에 박차를 가하기 시작했다. 더 이상 뒤로 물러설 수 없다는 생각 때문이었다.
“SGU-45를 처음 만든 후, 세슘에 대한 선택성을 조사했더니 예상보다 결과가 매우 저조했습니다. 크게 실망했죠. 실험 결과를 자세히 보니 바나도실리케이트 속에 들어 있는 바나듐의 양성성이 제대로 발현되지 않고 있는 사실을 알았습니다. 이후 바나도실리케이트 속에 들어 있는 바나듐의 양성성을 강화시켜 준 뒤 다시 세슘 흡착성능을 조사했더니 예상대로 기존의 타이타노실리케이트 보다 좋은 결과를 보이더군요. 처음에 실패했다고 느꼈을 때 실패라고 생각해 좌절하지 말고 문제점을 좀 더 확실히 파악한 후 이해도를 높이면 원하던 소기의 목표를 달성할 수 있다고 생각합니다.”
윤경병 교수팀의 이번 연구는 우리 사회가 원자력 발전 의존도가 높아지는 가운데 큰 의미를 갖고 있다. 연구팀의 연구결과를 토대로 방사성 세슘을 혁신적으로 제거할 수 있는 흡착제를 상용화할 경우 핵발전소의 방사성 세슘 누출 사고 시 발생하는 방사성 세슘으로부터 인류와 환경을 보호할 수 있기 때문이다. 또한 원자력 발전소의 핵연료 재처리과정시 발생하는 방사성 세슘을 안전하게 농축해 폐기하는데도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
“앞으로 더욱 강화된 방사성 세슘 흡착제를 개발하고자 합니다. 세슘 못지않게 문제가 되는 방사성 이온이 ‘스트론튬-90′입니다. 저희는 이미 스트론튬-90을 잡을 수 있는 물질을 개발하기 위한 목표를 설정해 연구에 착수한 상태예요. 좋은 결과를 보여드릴 수 있도록 노력하겠습니다.”