"美 목표치 8배 속도"… 中, 바닷물서 우라늄 대량 추출 신소재 ‘포스케이지’ 개발

원자력 발전소의 급격한 증설로 심각한 핵연료 수입 의존에 직면한 중국 연구진이 미국 에너지부(DOE)가 제시했던 목표 속도보다 8배 이상 빠른 속도로 바닷물에서 우라늄을 추출할 수 있는 혁신적인 신소재를 개발하며 글로벌 해양 핵연료 자원 확보 경쟁의 선두로 치고 나섰다.

전 세계 바다에 녹아 있는 우라늄 매장량은 약 45억 톤으로 전 세계 육상 매장량(약 790만 톤)의 500배를 웃돌지만, 극도로 낮은 농도와 바나듐 등 경쟁 금속 이온의 간섭 탓에 상업적 채굴이 불가능에 가까웠다. 이번에 개발된 신소재는 이 같은 화학적 난제를 극복하고 대량 흡착 및 회수의 길을 열어젖혔다는 평가를 받는다.
9월 4일(현지시각) 홍콩 영자 일간지 사우스차이나모닝포스트(SCMP) 보도에 따르면, 산둥성 칭다오에 위치한 중국과학원(CAS) 산하 칭다오 바이오에너지 및 바이오프로세스 기술 연구소 연구팀은 인산염 작용기로 채워진 해면(스펀지) 형태의 고효율 분자 화학 트랩 소재인 ‘포스케이지(PhosCage)’를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀이 국제 학술지 '유해물질 저널(Journal of Hazardous Materials)'과 '분리정제기술(Separation and Purification Technology)'에 발표한 두 편의 논문에 따르면, 천연 해수 샘플 테스트 결과 포스케이지 흡착제는 소재 1g당 최대 50.4㎎의 우라늄을 포집하는 경이적인 성능을 기록했다.

이는 미국 에너지부가 해수 우라늄 상용화 기준으로 설정했던 1g당 6㎎ 목표치보다 무려 8배 이상 높은 수치다.


연구진은 실험실 분말 형태의 포스케이지를 실제 해양 환경에서 손쉽게 살포하고 회수할 수 있도록 밀리미터(㎜) 크기의 고분자 비드(구슬) 형태로 가공하는 데 성공했다.

비드 형태로 제작된 흡착제는 그램당 22.55㎎의 우라늄을 안정적으로 포집했으며, 우라늄 탈착 후 다시 바닷물에 투입하는 7차례의 연속 재사용 사이클을 거친 후에도 흡착 성능을 그대로 유지했다.
연구팀은 성명을 통해 "이번 연구는 바닷물에서 우라늄을 추출하는 새로운 패러다임을 제시했다"며 "향후 해양 플랜트 등에서 우라늄을 대규모로 포집할 수 있는 산업용 흡착제 개발의 견고한 기틀을 마련했다"고 설명했다.


이번 기술 혁신은 세계 최대 규모로 원전을 증설 중인 중국의 국가 안보 차원에서 각별한 의미를 지닌다.

세계원자력협회(WNA) 통계에 따르면 2024년 기준 중국 국내 광산의 천연 우라늄 생산량은 약 1,600톤에 불과했던 반면, 자국 내 가동 중인 원자로를 돌리기 위해 필요한 연간 수요는 약 1만 3,000톤에 달했다.

자체 조달 비율이 12% 수준에 그치며 대부분의 핵연료를 카자흐스탄, 캐나다, 아프리카 등 해외 수입에 절대적으로 의존하고 있는 실정이다.

바다는 이러한 우라늄 갈증을 단숨에 해결할 수 있는 무한한 보고다.

빗물이 암석 속 우라늄을 씻어내 강을 거쳐 바다로 유입되면서 축적된 전 세계 해양 우라늄 매장량은 약 45억 톤에 달한다.

단적인 예로 지중해 해수에 녹아 있는 우라늄(약 1,200만 톤)만으로도 전 세계 모든 원전을 약 180년간 완전 가동할 수 있는 규모다.


하지만 바닷물 속 우라늄 포집은 '모래사장에서 바늘 찾기'보다 까다로운 과제로 꼽혀왔다.

해수 1톤당 우라늄 함량은 약 3.3㎎(0.0033ppm)에 불과해 막대한 부피의 해수를 필터링해야 하기 때문이다.

더 큰 난관은 경쟁 원소들의 화학적 방해였다.

해수에 훨씬 풍부하게 녹아 있는 바나듐(Vanadium) 등 다른 중금속 이온들이 우라늄 흡착 부위를 먼저 가로채 결합하면서 추출 수율을 급격히 떨어뜨리는 것이 기존 소재들의 공통적인 한계였다.

미국 에너지부 산하 오크리지 국립연구소(ORNL)와 태평양 북서부 국립연구소(PNNL)가 특수 고분자 섬유 흡착제를 개발해 2016년 워싱턴주 시퀴엄만 해수에서 1g당 약 6㎎ 수준까지 추출 효율을 끌어올렸으나, 육상 광산 채굴 대비 턱없이 높은 생산 단가 탓에 2018년 관련 연구 프로그램을 대부분 중단한 바 있다.

칭다오 연구팀은 포스케이지의 인산염 배위 구조를 정밀 설계함으로써, 다중 금속이 혼재된 복잡한 해수 환경 속에서도 다른 원소보다 우라늄을 선택적으로 감지해 끌어당기는 고도의 선택성(Selectivity)을 확보해 바나듐 간섭 문제를 해결했다.


다만 이번 성과가 곧바로 산업적 대량 채굴로 이어지기까지는 넘어야 할 산이 적지 않다.

이번 실험은 칭다오 연안에서 길어 올린 바닷물 25리터(약 6.6갤런)를 실험실 내 유체 흐름 시스템에 순환시켜 얻은 결과다.

실제 외해(공해) 환경에서는 거센 조류와 파도, 해양 플랑크톤 및 미생물막(바이오파울링) 형성으로 인해 흡착 구슬의 포집 효율이 급격히 저하될 수 있다.

또한, 연구진은 논문에서 추출한 우라늄 1㎏당 구체적인 경제적 생산 단가를 공개하지 않았다.

연구팀은 향후 흡착 소재의 대량 합성 공정을 구축하고 실해역 장기 실증을 통해 우라늄 추출의 총비용을 육상 채굴 단가 경쟁력 수준으로 낮추는 후속 연구에 집중할 계획이라고 덧붙였다.

중국 연구진의 이번 해수 우라늄 초고속 흡착 기술개발은, 향후 ‘기존 육상 광산의 고갈 우려와 지정학적 공급망 리스크를 피해 45억 톤의 바닷속 핵연료를 독자적으로 자원화하려는 원자력 패권 경쟁의 중대한 전환점’인 동시에 ‘친환경 무탄소 전력망 확충에 필수적인 글로벌 원전 르네상스의 연료 수급 지형을 근본적으로 뒤바꿀 수 있는 파괴적 혁신 기술’로 작용할 전망이다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com