Special 우주항공/원자력용 극한소재 개발 현황 및 전망(2)

핵융합로 증식블랑켓용 리튬 세라믹스 연구개발 동향

박이현_한국핵융합에너지연구원 책임연구원 

1. 서론

기후변화로 인한 지구온난화와 화석연료의 고갈로 인한 문제를 해결하고자 전 세계는 2015년 “파리기후변화협정”에 따라 온실가스 감축 목표를 단계적으로 설정하는 것과 더불어 “2050 탄소중립 목표 기후동맹”에 가입하여 탄소중립 선언을 가속화하고 있다. 또한, 최근 국제사회는 에너지 수급 불안이 경제성장뿐만 아니라 국가안보에도 영향을 미친다는 사실을 인지하고 자원 기반이 아닌 기술 기반의 에너지원 개발을 위해 힘쓰고 있다. 핵융합에너지는 바닷물에 포함되어 있는 중수소와 리튬을 이용하여 에너지를 생산하는 대표적인 기술 기반 에너지원이라 할 수 있으며, 주요국들은 핵융합에너지 상용화를 앞당겨 기술 패권을 확보하기 위해 적극적인 투자와 지원을 아끼지 않고 있다. 

  현재 지구상에서 가장 실현 가능성이 높은 핵융합반응은 중수소와 삼중수소 간의 핵융합반응이며, 이때 발생되는 중성자의 운동에너지를 열에너지로 변환하여 전기를 생산하는 것이 핵융합로의 기본 개념이다. 핵융합로의 연료라고 할 수 있는 중수소는 바닷물로부터 쉽게 얻을 수 있는 물질이지만, 삼중수소는 짧은 반감기로 인해 자연계에는 거의 존재하지 않는 물질이다. 따라서 삼중수소는 다음과 같이 리튬과 중성자의 핵반응을 통해 인위적으로 생산하여 사용하여야 한다.

6Li + n -> 4He + T + 4.8 MeV

7Li + n -> 4He + T + n’ - 2.5 MeV

  핵융합로의 증식블랑켓은 열에너지 추출, 삼중수소 생산 및 중성자 차폐 등의 기능을 담당하는 핵심 부품 중 하나이며, 증식블랑켓 내부에는 삼중수소를 생산하기 위해 리튬을 포함하고 있는 물질인 삼중수소 증식재가 충진되어 있다. 고체형 삼중수소 증식재는 약 700^oC 이상의 고온에서도 안정적으로 사용하기 위해 리튬을 포함한 세라믹스 형태로 개발되고 있으며, 대표적으로는 Li₂TiO₃와 Li₄SiO₄가 있다. 또한, 삼중수소 증식재는 증식블랑켓 내에서 높은 충진율을 확보함도 동시에 강도 및 열전달 관점을 고려하여 직경이 약 1mm인 페블 형태로 사용된다. 국내에서는 고온에서의 화학적 안정성과 삼중수소 추출 관점을 고려하여 Li2TiO₃ 증식재 페블에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 이에 대한 기술 동향을 살펴보고자 한다.

2. 삼중수소 증식재용 리튬 세라믹스 분말 합성 기술 개발 

2.1 이온교환법을 이용한 Li₂TiO₃ 분말 합성

바닷물로부터 리튬을 추출하는 과정에서 LiCl 형태를 얻을 수 있다. 따라서 LiCl을 리튬 원료로 이용하여 Li₂TiO₃ 분말을 합성하기 위해 Na₂TiO₃를 이용한 이온교환법을 적용하는 방법이 연구되었다. LiCl과 Na₂TiO₃를 물에 용해한 후 Li 이온과 Na 이온을 교환하여 Li-Ti-O 전구체를 얻을 수 있다. 이를 약 700^oC에서 열처리하여 Li₂TiO₃ 분말을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 분말은 직경이 약 700nm 정도인 것으로 분석되었다.

그림 1. 이온교환법을 이용한 Li₂TiO₃ 합성 방법 및 합성된 Li₂TiO₃ 분말 사진

2.2 화학적 습식법을 이용한 Li₂TiO₃ 분말 합성

삼중수소 증식재가 충진되어 있는 증식블랑켓은 핵융합로에서 5~10년 주기로 교체되는 부품이다. 따라서 교체된 증식블랑켓 내에는 삼중수소를 생산하는데 쓰이지 않은 리튬 원료가 상당량 포함되어 있을 것으로 예상되므로 리튬 원료를 재활용할 필요가 있다. 재활용 과정에서 리튬 원료를 추출하는 방식으로는 습식법이 유력하며, 습식법을 이용할 경우 LiOH 수용액 형태로 추출될 가능성이 높다. 따라서 LiOH 수용액을 이용하여 Li₂TiO₃를 합성하는 연구가 수행되었다. LiOH 수용액과 TiO₂를 약 90^oC에서 혼합한 후 건조시켜 열처리를 수행하면 Li₂TiO₃ 분말을 얻을 수 있다. 이 방법은 사용 후 증식재로부터 리튬 원료를 재활용하여 다시 삼중수소 증식재 분말을 합성하는데 활용될 것이며, 이렇게 얻어진 분말의 직경은 약 300nm 정도로 분석되었다.

그림 2. 화학적 습식법을 이용한 Li₂TiO₃ 합성 방법 및 합성된 Li₂TiO₃ 분말 사진

그림 6. 한국에서 개발한 Li₂TiO₃ 페블 제조법 개요: 슬러리 액적 습식법

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