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전기와 수소, 두 마리 토끼 잡는 ‘초고온가스로’


“발전(發電)을 넘어(Beyond the Grid).”

한국원자력연구원에서 개발 중인 초고온가스로(VHTR)의 목표다. 제4세대 원전 중 가장 안전한 모델로 인정받고 있는 VHTR를 전기 생산 외에 산업 분야에서도 이용하기 위해서다.



● 청정에너지 수소로 화석 연료 대체
수소는 물을 분해해 얻을 수 있으며 연료로 쓰인 후에도 다시 물로 변환돼 오염을 일으키지 않는다. 에너지경제연구원에서는 국내 수소 수요가 2015년 900t에서 2040년 420만t으로 급격히 늘어날 것으로 예상하고 있다. 수소 자동차, 연료 전지, 해수담수화 등 미래에 수소가 사용될 수 있는 분야는 매우 다양하다.

교육과학기술부는 2040년대에 국내 총 에너지 수요의 20%를 수소로 대체하는 것을 목표로 2026년까지 원자력 수소 생산 실증 시스템을 만들 계획이다. VHTR에서는 수소의 대량생산이 가능하다. 이산화탄소를 배출하지 않으면서도 현재 많이 쓰이고 있는 전기분해 방식에 비해 3배가량 생산 단가를 낮출 수 있다.

VHTR에서는 열화학공정에 의해 물에서 수소를 분리한다. 황-요오드 열화학공정은 850도에서 황산을 분해한 뒤 ‘분젠공정’을 통해 요오드화수소산(HI)을 만들고, HI에서 요오드와 수소를 분리해 수소를 생산하는 방법이다.

원자력연 수소생산원자로기술개발부 김용완 부장은 “황-요오드 열화학공정은 전기분해에 비해 저렴하며 많은 양의 수소를 생산할 수 있다”며 “VTHR는 출구온도가 950도에 이르기 때문에 열화학공정에 이용하기에 충분하다”고 설명했다. 물에서 27%의 수소만을 얻을 수 있는 전기분해 방법에 비해 40%로 생산 효율도 높다.







수소폭발


 

● 수소생산계통 분리돼 수소폭발 염려 없어

 

 



원자로에서 수소는 폭발을 일으킬 수 있는 위험요소 중 하나다. 이 때문에 VHTR에서는 중간에 열전달계통이 하나 더 있어 수소생산계통과 가스로 자체를 분리한다. VHTR의 냉각재인 헬륨 기체는 원자로에서 데워져 중간열 교환기로 전달된다. 별도의 관으로 구성된 중간열전달계통이 다시 수소생산계통으로 열을 전달한다.

김 부장은 “중간계통에서 수소생산공장까지는 50~100m 정도의 거리가 있으며 원자로는 지하에 위치해 수소폭발을 방지한다”고 말했다. 수소생산계통에서 물을 수소와 산소로 분해하지만 원자로나 중간계통에는 물이 없어 수소폭발이 일어나지 않는다.

VHTR에서 수소를 생산하게 되면 이를 ‘수소환원제철’방식으로 이산화탄소를 배출하지 않으며 철을 생산하는 청정 제철에 쓸 수도 있다. ‘제4대 원자력시스템 국제 포럼(GIF)’ 참가국 중 VHTR 연구를 진행 중인 곳은 한국, 미국, 중국, 일본, 프랑스, 스위스, 캐나다, 남아공, EU 등 9개국이다.

미국과 일본에 비해 VHTR 연구에 뒤늦게 뛰어든 한국은 2026년 수소 생산 핵심기술을 개발하고 안정성 실증을 완료해 2020년대에 수소생산 상업화에 들어가는 두 나라를 따라잡을 계획이다.

 

 

 

최세민 동아사이언스 기자 july@donga.com



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