TANAKA 귀금속, 핵융합로에서 트리튬을 효율적으로 회수하기 위한 새로운 촉매 개발에 성공

- 세계 최고 효율을 달성, 핵융합로의 기술적 과제 해결에 밝은 전망

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2015-01-15 18:04

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도쿄--(뉴스와이어)--독립행정법인 일본원자력연구개발기구(본부: 이바라키현 나카군, 이사장: 마쓰우라 쇼지로, 이하, 원자력기구), TANAKA귀금속공업주식회사가 핵융합로의 실현을 위해 트리튬[1] 회수를 위한 새로운 소수성[2] 백금 촉매의 개발에 성공했다.

핵융합로에서는 트리튬이 중수소와 함께 연료로 사용된다. 트리튬은 매우 희소한 물질이며, 핵융합로 내에서는 촉매 반응을 이용해서 트리튬수로 농축하고, 최종적으로 트리튬 가스의 형태로 회수하는 시스템이 필요[3]하다.

트리튬 회수에 사용하는 촉매는 백금 등의 귀금속을 베이스로 한 ‘소수성 귀금속 촉매’라고 불리는데, 일본에서는 고분자로부터 만들어진 소수성 귀금속 촉매가 신형 전환로 후겐[4]의 중수 정제[5]에 사용된 바 있다. 그러나 이 촉매는 방사선에 대한 취화(脆化)나 내열성에 관한 과제가 있어 고농도의 트리튬수로부터의 회수가 필요한 핵융합로에 적용하기 위해서는 기술적인 과제를 해결할 필요가 있었다.

이를 위해 원자력기구와 TANAKA귀금속공업은 무기 물질을 베이스로 소수화 처리를 하는 새로운 촉매 제작법을 개발했다. 그 결과, 내방사선성의 표준이 되는 530kGy의 방사선 조사에 대해 성능 열화가 없고, 또한 통상 사용되는 온도인 70℃를 크게 웃도는 600℃ 이상의 내열성 확보에도 성공하여 지금까지의 기술적 과제를 해결했다. 이 방법으로 제작한 촉매가 종전의 약 1.3배에 상당하는 세계 최고의 교환 효율을 달성한다는 사실도 확인했다.

이에 따라 본 촉매를 액상 화학 교환 프로세스[6]에 적용시킴으로써 트리튬수로부터의 트리튬 회수 시스템의 신뢰성 향상과 고효율화에 관한 큰 기술적 장벽을 극복할 수 있을 것으로 전망된다.

나아가 본 촉매에 적용하고 있는 소수성 백금 촉매의 제작 기술은 핵융합 연구뿐만 아니라 폭넓은 분야에 응용 가능하며, 수소 산화 촉매[7]에 적용한 경우에는 상온에서도 수소의 효율적 산화가 가능하다는 것을 실증했다. 또한 이 같은 취약성을 해결함으로써 원자력 분야 이외의 일반 수소 취급 플랜트의 안전성 향상에도 기여할 수 있게 됐다.

용어 설명

[1]트리튬: 수소 방사성 동위체. 삼중수소.

[2]소수성: 물에 대한 친화성이 낮고, 물에 잘 용해되지 않는 성질.

[3]트리튬 회수 시스템의 필요성: 핵융합로의 로심에서 생성된 불순물을 미연소 연료와 함께 배기하고, 이것을 처리해서 연료 성분을 재이용하기 위해 추출해서 다시 로심의 플라즈마로 공급하는 시스템을 연료 순환 시스템이라고 한다. 연료 순환 시스템은 1) 로심으로부터 플라즈마 배기가스를 배출하는 진공 배기 시스템, 2) 플라즈마 배기가스로부터 수소 동위체 성분을 분리, 회수하는 연료 정제 시스템, 3) 수소를 동위체별로 분리함으로써 연료 성분을 분리 회수하는 동위체 분리 시스템, 4) 연료 성분을 저장하는 연료 저장 시스템, 5) 로심의 플라즈마에 연료를 공급하는 연료 공급 시스템으로 나뉜다. 또한 핵융합에서는 연료로 소비한 양의 트리튬은 로내의 블랭킷으로 생산, 증식함으로써 보충한다. 그때 트리튬이 금속을 통해 냉각수에 혼입되기 때문에 대형의 트리튬수로부터의 트리튬 회수 시스템이 필요하다.

[4]신형 전환로 후겐: 열중성자로 세계 최대인 MOX(혼합산화물) 연료 집합체의 이용을 통해서 일본의 플루토늄 리사이클 기술을 확립. 현재는 폐지 조치중.

[5]중수 정제: 경수가 혼입되어 농도가 저하된 열화 중수를 원자로의 감속재로 사용할 수 있는 농도의 원자로급 중수로 재농축하는 과정

[6]액상 화학 교환 프로세스: 리튬수로부터의 트리튬 회수 시스템은 수소에서 수증기를 통해 물로 트리튬을 이행시킴으로써 트리튬수를 농축하는 액상 화학 교환탑과 농축한 트리튬수를 전기분해해서 농축 트리튬 가스로 만드는 전해조로 구성된다. 액상 화학 교환탑 내에는 반응부와 흡수부(충전층)가 세트로 된 유닛을 탑 내에 쌓고, 반응부에서는 트리튬을 수소에서 수증기로 이행시키고, 흡수부에서는 트리튬을 수증기에서 물로 이행시킨다. 이 반응을 연속시킴으로써 탑 하부를 향해 서서히 트리튬수를 농축시킨다. 이번에 개발한 촉매는 본 프로세스의 촉매부에 사용한다. 촉매 프로세스를 장기간에 걸쳐 실시하기 위해서는 촉매의 높은 안정성이 필요하다. 이번에 개발한 촉매는 트리튬을 취급하는 설비가 가져야 할 난연성의 확보와 트리튬수의 고농축 시 문제가 되는 내방사선성의 향상에 맞추어 높은 반응률을 실현하고 있으며, 트리튬의 농도에 관계없이 트리튬수의 농도를 높일 수 있다.

[7]수소 산화 촉매: 소수 성능을 부여한 촉매는 수증기에 의한 반응 억제 효과를 받지 않고 상온 부근 온도에서 사용할 때도 수소의 효율적인 산화가 가능하다. 산화 효율이 나쁜 극저농도 수소에서도 상온 산화가 가능하다.

TANAKA귀금속공업주식회사 소개
TANAKA홀딩스주식회사를 지주회사로 하는 TANAKA귀금속 그룹에서 제조 사업을 전개하는 그룹의 핵심 기업이다.

웹사이트: http://www.tanaka.co.jp