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2024-11-22 (금)

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미국, 원자로 용량 3배 증설 계획 발표…트럼프, 실행할까?

미국이 원자력 발전량을 대규모로 늘리기 위한 새로운 로드맵을 공개했다. 바이든 행정부가 이 같은 계획을 공개했는데, 도널드 트럼프 대통령 당선자가 백악관에 입성해 이 계획을 실행할지는 알 수 없다. 그럼에도 불구하고 원자력 발전은 양당의 큰 지지를 얻었으며, 거대 기술 기업도 환영하고 있다고 더버지가 전했다. 현재 원자력 에너지는 미국 전체 발전의 약 20%를 차지한다. 이는 미국이 풍력 및 태양광 등 재생 에너지 발전량과 거의 같다. 나머지 60%는 화석 연료에서 나온다. 이를 감안하면, 원자력 발전은 탄소 배출이 없는 전력의 거의 절반을 차지한다. 연료봉용 우라늄 채굴과 핵 발전소의 방사성 폐기물에 대한 환경적 우려는 여전히 크다. 그러나 원자력은 온실가스를 배출하지 않고 전기를 생산하기 때문에 일부 환경 단체와 바이든 행정부의 지지를 얻었다. 또 풍력과 태양광 발전이 변동할 때, 이를 대체할 수 있는 안정적인 에너지 공급으로 여겨진다. 미국은 작년에 전 세계적으로 재생 에너지 용량을 3배로 늘리겠다는 국제적 공약에 동참했다. 백악관은 2050년까지 200GW의 새로운 원자력 에너지 용량을 증설한다는 목표를 제시했는데, 이는 미국이 2020년에 보유한 용량의 최소 3배에 해당한다. 2035년까지 35GW의 새로운 용량을 증설하는 것으로 시작해 2040년까지 매년 15GW를 추가한다는 중간 목표를 세웠다. 이는 쉬운 일은 아니다. 미국의 원자력 에너지는 노후화된 원자력 발전소에서 나온다. 대부분은 1970년대 또는 1980년대에 건설되었다. 미국 원자로의 평균 수명은 42년이다. 원자력 산업은 펜실베이니아의 쓰리마일아일랜드, 우크라이나의 체르노빌, 일본의 후쿠시마에서 발생한 대형 사고로 인해 오명을 썼다. 그리고 수년 동안 원자력은 더 저렴하고 유연한 전력원, 즉 가스와 경쟁하는 데 어려움을 겪었다. 참고로 15GW는 엄청나게 큰 발전 용량이다. 일반적인 원자력 발전소 1기의 발전 용량이 약 1GW 정도다. 다시 말하면 15GW는 원자력 발전소 15기를 합친 것과 같은 용량이다. 또다른 예를 들면 1GW는 약 75만 가구에 전력을 공급할 수 있는 용량이다. 15GW는 약 1125만 가구에 전력을 공급할 수 있는 양으로 도시 하나에 전력을 공급하고도 남을 규모다. 수십 년 만에 미국에서 새로 건설된 최초의 원자로인 조지아주의 보글(Vogtle) 3호기 원자로는 2023년 가동에 들어갔다. 당초 예정일을 7년 넘겼고 예산은 170억 달러 초과했다. 같은 부지에 있는 또 다른 새로운 원자로는 올해 4월에 가동을 시작했다. 이 원자로의 건설은 2009년에 시작됐다. 대규모 원자력 발전소를 건설하는 것은 높은 비용으로 인해 대단히 어렵다. 이로 인해 원자력 산업의 성장은 제한적이었다. 업계의 해결책은 소형 모듈형 원자로(SMR)라고 하는 차세대 기술을 개발하는 것이었다. 이 첨단 원자로는 기존 원자력 발전소의 약 10~25%의 크기이므로 비용이 저렴하고 건설도 쉽다. 원자력 발전 목표를 달성하기 위한 바이든 행정부의 로드맵은 크고 작은 새로운 원자로를 건설할 것을 요구하고 있다. 또 오래된 원자로의 수명을 연장하고 퇴역한 원자로를 재가동하기 위한 면허 갱신을 주장한다. 특히 빅테크는 올해 원자력 에너지를 구매하고 첨단 원자로 개발을 지원하기 위한 새로운 계약을 잇따라 체결하면서 원자력 산업에 힘을 실어주고 있다. 마이크로소프트는 9월에 쓰리마일아일랜드의 원자로를 재가동할 수 있는 전력 구매 계약을 체결했다. AWS는 3월에 펜실베이니아주에 있는 원자력 발전 데이터 센터 캠퍼스를 매입했다. 지난달 아마존은 워싱턴주와 버지니아에서 SMR을 개발하는 3건의 추가 계약을 발표했다. 한편 구글은 10월에 2030~2035년 사이에 건설될 SMR로부터 전기를 구매할 계획이라고 발표했다. 트럼프는 바이든 행정부의 온실가스 감축 노력을 무산시키려 할 것으로 예상된다. 그러나 그는 과거 원자력 에너지에 대해서는 덜 적대적이었다. 그의 어젠다47은 "원자력 규제 위원회를 현대화하고, 기존 원자력 발전소를 계속 가동하며, 혁신적인 SMR에 투자함으로써 원자력 에너지 생산을 지원할 것"이라고 말한다. 다만 트럼프가 다시 취임하면 무슨 일이든 일어날 수 있다. 그는 10월 25일 조 로건과의 인터뷰에서 핵 르네상스에 대해 의심을 표명하며 "핵에는 다소의 위험이 있다"고 말했다. 그는 기후 변화로 인한 위험을 무시하는 태도를 보였다. 그는 로건에게 "오늘날 세계에서 가장 큰 문제는 지구 온난화가 아니라 핵 온난화다"라고 말했다.
- 산업
2024-11-18
로봇, 후쿠시마 원전 사고 현장서 방사선 샘플 첫 회수

로봇이 지난 2011년 쓰나미로 파괴된 후쿠시마 다이이치 원자력 발전소에서 처음으로 방사성 연료 샘플을 성공적으로 회수했다고 인디펜던트가 전했다. 텔레스코(Telesco)라는 이름의 이 원격 조종 로봇은 낚싯대와 유사한 팔을 이용해 원자로 2호기의 주요 격납용기 바닥에 있는 용융 연료(핵연료) 파편(데브리) 더미에서 최대 5mm 크기의 샘플을 분리해 냈다. 이는 아주 작은 그래놀라 조각 정도의 크기였다. 로봇은 용융 연료 조각을 장착된 앞쪽 집게에 넣고 이를 안전하게 보관하기 위해 밀폐된 용기로 운반했다. 원자력 발전소 운영사인 도쿄전력 홀딩스(TEPCO)는 방호복을 입은 작업자들이 격납 용기에서 채취한 샘플을 제거했다고 밝혔다. 원자로에서 로봇에 의해 용융 연료 샘플이 회수된 것은 처음이며, 이는 수십 년에 걸친 해체 과정에서 중요한 단계로 발전했음을 의미한다. 그러나 로봇의 샘플 회수는 샘플의 방사능이 지정된 한계치(임계치) 이하이며 용기에 안전하게 보관되어 있다는 것이 확인된 후에야 완료된다. 방사능이 한계치를 초과하면 로봇은 다른 샘플을 회수하기 위해 원자로에 다시 들어가야 한다. TEPCO 관계자들은 현재 샘플이 요구 사항(한계치 이하)을 충족할 만큼 작을 것으로 예상했다. 원자로에는 약 880톤의 치명적인 방사능 용융 연료가 남아 있는 것으로 추정된다. TEPCO는 발전소를 어떻게 관리할 것인가에 대한 방법을 결정하기 위해 여러 차례 로봇에 의한 탐사를 수행했다. 2011년 3월 11일, 규모 9.0의 지진과 쓰나미가 일본 북부 해안의 일부 지역을 강타하면서 약 2만 명이 사망했다. 쓰나미가 덮쳤을 때 후쿠시마 원자력 발전소의 6개 원자로 중 3개가 가동 중 녹아내렸고 방사능이 유출됐다. 한편, TEPCO는 텔레스코가 13년 전 붕괴 당시 대량의 용융 연료가 떨어진 원자로 2호기 코어 아래에서 3g 미만 무게의 샘플 조각을 가지고 돌아왔다고 확인했다. 발전소장 아키라 오노는 텔레스코가 용융 연료 해체 전략을 계획하고, 사고가 어떻게 발생했는지 소급해 이해하는 데 도움이 되는 핵심 데이터를 제공할 수 있을 것이라고 말했다. 정부와 TEPCO는 오염 정화에 30~40년이 걸릴 것이라는 목표를 설정했지만, 전문가들은 이것이 지나치게 낙관적인 것이며 재평가가 필요하다고 지적했다.
- IT/바이오
2024-11-06
아마존, 신재생에너지로 탄소 제로 실현…소형 모듈형 원자로 계약

아마존(Amazon)이 증가하는 에너지 수요를 감당하기 위해 원자력 에너지 프로젝트 계약을 체결했다고 홈페이지를 통해 발표했다. 아마존은 이미 전 세계 아마존 사이트에서 소비하는 모든 전기를 올해 중 100% 재생 에너지로 대체한다고 발표한 바 있다. 이는 2030년 목표보다 7년 앞당긴 것이다. 이를 위해 아마존은 재생 에너지에 계속 투자하는 한편, 회사 운영에 필요한 에너지를 공급하고 전력망에 연결시킬 탄소 발생 없는 에너지의 추가 공급원을 찾고 있다. 탄소제로 정책의 하나로, 아마존이 최근 신재생 에너지원으로서 원자력 에너지를 확대하는 정책을 선택한 것. 아마존은 원자력 발전이 전 세계 지역사회에 안전하고 탄소 발생 없는 에너지를 안정적으로 공급해 온 수십 년의 역사를 갖고 있다고 설명했다. 아마존은 이런 정책에 따라 원자력 에너지 프로젝트 개발을 지원하기 위한 세 가지 새로운 계약을 체결했다고 밝혔다. 여기에는 여러 기의 새로운 소형 모듈형 원자로(SMR) 건설이 포함됐다. SMR은 설치 공간이 작은 고급 핵 원자로로, 전력 네트워크에 더 가깝게 건설할 수 있다. 또한 기존 원자로보다 건설 시간이 크게 단축되므로 더 빨리 가동하는 것이 가능하다. 클라우드 부문인 아마존웹서비스(AWS)의 매트 가먼 CEO는 "원자력은 탄소 발생 없는 안전한 에너지원으로서, 시스템 운영에 무공해 전력을 공급하고 고객의 증가하는 수요를 충족시킬 수 있다"고 언급하고 "2040년까지 운영 전반에 걸쳐 탄소 순 제로를 달성하자는 기후 공약을 성공적으로 이행하는 데 큰 도움이 될 것"이라고 기대했다. 그는 "기후 변화에 대처하는 가장 빠른 방법 중 하나는 사회를 탄소 없는 에너지원으로 전환하는 것이다. 원자력 에너지는 탄소 발생이 없고 확장이 가능하기 때문에 아마존이 중요하게 생각하는 투자영역이다. 이번 계약은 앞으로 수십 년 동안 에너지를 생성할 새로운 원자력 기술 건설을 장려할 것"이라고 부연했다. 이에 따라 아마존은 워싱턴에서 에너지 노스웨스트(Energy Northwest)와의 협력을 통해 4개의 첨단 SMR을 개발한다. 원자로는 에너지 노스웨스트가 건설 및 소유하고 운영하며, 프로젝트의 첫 번째 단계에서 약 320메가와트(MW)의 전력을 생산한다. 여기에는 총 960MW까지 늘릴 수 있는 옵션이 있다. 이는 77만 이상의 가정에 충분한 전력을 공급할 수 있는 용량이다. 이 프로젝트는 2030년대 초부터 태평양 북서부 지역의 소요 에너지를 충족하게 된다. 아마존은 또 차세대 SMR 원자로 및 연료의 선도적 개발업체인 X에너지에 투자, X에너지의 첨단 원자로 설계 기술을 에너지 노스웨스트 프로젝트에 적용할 계획이다. 아마존은 X에너지 투자를 통해 이 회사 기술을 활용한 5기가와트(GW) 이상의 SMR 장비도 개발한다는 방침이다. 이외에도 버지니아에서 유틸리티 회사인 도미니언 에너지(Dominion Energy)와 계약을 체결, 도미니언이 소유한 노스아나 원자력 발전소 근처에 SMR 프로젝트 개발 프로젝트를 시작할 예정이다. 이를 통해 버지니아 지역에 최소 300MW의 전력이 공급되며, 향후 15년 동안 전력 수요가 85% 증가할 것으로 예상하고 있다. 아마존은 이전에도 펜실베이니아 탈렌 에너지(Talen Energy)의 원자로 시설 옆에 데이터 센터를 두기로 계약을 체결했다. 이 시설 역시 탄소 발생 없는 에너지로 데이터 센터에 직접 전력을 공급하는데, 여기에는 기존 원자로에서 생산되는 전력을 사용한다. 한편 아마존은 원자로 프로젝트 투자가 해당 지역 사회에 경제적 활력을 불어넣을 것이라고 기대했다. 에너지 노스웨스트와의 계약에 따라 최대 1000개의 건설 일자리가 만들어지며, SMR 원자로가 가동되면 최대 100개 이상의 영구 일자리가 창출된다. 펜실베이니아주에서는 데이터 센터 캠퍼스가 건설 중이며, 건설 일자리를 창출하고 지역 유틸리티 인프라를 업그레이드하게 된다.
- IT/바이오
2024-10-18
구글, AI 데이터 센터 소요 전력 원자력 발전으로 전환한다

구글(Google)이 인공지능(AI) 데이터 센터에 필요한 방대한 양의 에너지를 원자력 발전으로 전환하기로 결정하고, 이를 위해 소형 원자로 사용 계약을 체결했다고 BBC방송이 전했다. 구글은 원자력 발전을 위해 카이로스 파워(Kairos Power)와 계약을 체결했다. 이에 따라 2030년 이전에 첫 번째 원자로 가동을 시작하고, 오는 2035년까지 더 많은 원자로를 배치할 것이라고 밝혔다. 구글은 원자로 구매 가격이 얼마인지, 또는 원자력 발전소 및 데이터 센터가 어디에 지어질 것인지에 대한 세부 사항은 공개하지 않았다. 빅테크들은 AI를 구동하는 거대한 데이터 센터에서 사용하는 전기를 공급하기 위해 점점 더 원자력 에너지원으로 눈을 돌리고 있다. AI 부문은 방대한 데이터 처리 때문에 다른 기술 영역에 비해 월등히 많은 에너지를 소모한다. 구글의 에너지 및 기후 담당 마이클 테렐 이사는 "AI 기술을 지원하기 위한 새로운 전기원이 필요하다"라며 "이번 계약은 방대한 에너지를 친환경은 물론 안정적으로 공급해 새로운 기술 발전을 가속하고 AI의 잠재력을 최대한 활용하는 데 도움이 될 것“이라고 설명했다. 카이로스의 제프 올슨 담당은 "구글과의 계약은 전력망의 탈탄소화를 위한 원자력 발전 실행 가능성을 입증함으로써 핵 에너지의 상용화를 가속하는 데 일조할 것"이라고 말했다. 이 계획은 미국 원자력규제 위원회와 현지 기관의 승인을 받아 진행된다. 지난해 미국 규제 당국은 캘리포니아에 본사를 둔 카이로스에 50년 만에 처음으로 새로운 유형의 원자로 건설을 허가했다. 회사는 지난 7월 테네시주에서 시범 원자로 건설을 시작했다. 원자로 부문 스타트업인 카이로스는 기존 원자력 발전소에서 사용하는 물 대신 용융 불소염을 냉각제로 사용하는 소형 원자로를 개발하고 있다. 탄소를 거의 배출하지 않고 하루 24시간 끊김 없이 전기를 공급하는 원자력은 기술 산업에 매력적인 옵션으로 다가서고 있다. 많은 에너지를 사용하는 테크 기업들은 탄소 배출을 줄여야 한다는 과제에 직면해 있다. 골드만삭스에 따르면 데이터 센터의 글로벌 에너지 소비는 2020년대 말까지 두 배 이상 증가할 것으로 예상된다. 테크타겟(TechTarget) 웹사이트의 산업 편집자 존 무어는 "AI 데이터 센터는 에너지를 공급하고 컴퓨팅 장비를 냉각하기 위해 상상하기 어려운 만큼 대량의 전기가 필요하다"고 말했다. 지난해 열린 COP28(기후변화협약 당사국총회)에서 미국은 화석연료에서 벗어나기 위한 노력의 일환으로 2050년까지 원자력 발전 용량을 세 배로 늘리겠다는 국가 그룹에 합류했다. 물론 반대 의견도 있다. 원자력 발전이 위험성이 없는 것이 아니며, 오래 지속되는 방사성 폐기물을 배출한다는 것이다. 한편 지난달 마이크로소프트는 지난 1979년 미국에서 최악의 원자력 사고가 발생한 3마일 섬(Three Mile Island) 에너지 공장의 운영을 재개하기로 합의했다. 지난 3월 아마존은 펜실베이니아주에 원자력 에너지 추진 데이터 센터를 인수할 것이라고 밝혔다.
- IT/바이오
2024-10-16
[퓨처 Eyes(51)] 오존층, 서서히 아물고 있다⋯40년 만에 희망의 빛

1980년대, 인간이 만들어낸 오염물질로 인해 지구 오존층에 구멍이 뚫렸다는 충격적인 소식이 전 세계를 강타했다. 하지만 40년이 지난 지금, 마침내 오존층이 회복되고 있다는 희망적인 신호가 포착됐다고 데일리메일과 IFL이 전했다. 오존층은 자연적으로 발생하는 오존 가스의 얇은 층이다. 오존 가스는 세 개의 산소 원자로 이루어진 분자로, 태양의 유해한 자외선을 거의 모두 흡수한다. 오존가스는 지상에서 천식 등 폐질환을 앓고 있는 건강상의 문제를 일으킨다. 반면, 상층 대기에 모이면 오존은 지구에 영향을 미칠 수 있는 UV-B 복사선을 흡수한다. 1985년 영국 남극 조사단에 따르면 남극 상공의 오존층에 거대한 구멍이 뚫렸다는 사실이 밝혀졌다. 매년 남반구에 봄이 다가오면 이 구멍이 다시 열리고 자외선이 남극으로 쏟아진다. 남극 오존 구멍은 일반적으로 8월 중순에서 하순에 잘 형성되고, 1년 주기의 일부로 11월 말에 닫힌다. 올해 남극 오존 구멍, 예상보다 작고 늦게 형성 코페르니쿠스 대기 모니터링 서비스(CAMS)의 최근 관측 결과, 올해 남극 상공의 오존 구멍은 예년보다 늦게 형성되었고, 그 크기도 눈에 띄게 작아졌다. 지난 9월 13일 기준, 오존 구멍의 크기는 최근 몇 년 같은 시기보다 무려 1848만 제곱킬로미터나 줄어들었다. CAMS의 올해 새로운 데이터에 따르면 남극 오존층 구멍 형성은 예년에 비해 훨씬 느렸다. 9월에 다 되어서야 오존 구멍이 형성되기 시작했으며, 그 이후에도 오존 구멍의 크기는 상당히 작은 상태를 유지하고 있다. 올해 남은 기간 동안 CAMS는 오존 구멍이 더 빠르게 줄어들기 시작해 12월 초에는 완전히 닫힐 것으로 예측하고 있다. 전문가들은 이러한 변화가 전 지구적인 기상 패턴의 영향일 수 있다고 조심스럽게 분석하면서도, 몬트리올 의정서를 통한 CFC (클로로플루오로카본, Chlorofluorocarbons) 사용 규제 등 인류의 노력이 마침내 결실을 맺고 있다는 긍정적인 전망을 내놓았다. CAMS 책임자인 로렌스 루일은 "남극 오존 구멍 형성에는 화산 활동부터 기후 변화까지 다양한 요인들이 영향을 미치지만, 몬트리올 의정서를 통해 인류가 오존층 회복의 발판을 마련했다"고 강조했다. 오존층은 지상에서 우주로 확장되는 공기 기둥의 오존 양을 나타내는 돕슨(Dobson) 단위라는 측정법을 사용해서 측정된다. 1 돕슨 단위는 해수면 0℃(32°F)에서 0.01mm 두께의 오존층을 만드는 데 필요한 오존 분자의 수를 말한다. 오존층 파괴, 인류와 지구에 치명적 영향 오존층은 태양에서 방출되는 유해한 자외선을 흡수하여 지구상의 생명체를 보호하는 중요한 역할을 한다. 오존층 파괴는 피부암, 백내장 등 인간 건강을 위협할 뿐만 아니라, 농작물 생산량 감소, 해양 생태계 교란 등 지구 전체에 심각한 영향을 미친다. 특히 남극 생태계는 오존 구멍으로 인해 더욱 심각한 자외선 피해에 노출되어 왔다. 남극의 야생 동물인 물개와 펭귄에게 자회선 피해를 입히고 있는 것. 올해 CAMS 데이터에 따르면 남극 지역에서 대부분이 오존층 파괴의 기준인 220돕슨 단위 이상을 유지하고 있는 것으로 나타났다. 이는 2023년 9월 10일까지 오존층 파괴 면적이 2600제곱킬로미터에 달했던 것에 비해 현저히 줄어든 것이다. 40년 내 오존층 완전 회복 기대, 국제 협력의 힘 1987년, 전 세계는 '몬트리올 의정서'를 체결해 오존층 파괴 물질인 CFC 사용을 금지했다. 하지만 이미 발생한 오존층 파괴는 쉽게 회복되지 않았고, 최근까지도 남극 오존 구멍은 심각한 수준을 유지해 왔다. CFC는 에어로졸 스프레이와 냉장고 냉매, 소화기 등에 사용되는 인공화합물이다. 일부 전문가들은 올해 오존층 파괴 속도가 느려진 것이 회복의 신호로 여기지 않는다. 오히려 기온과 바람 패턴의 자연스러운 변화로 극지방 소용돌이가 교한되었기 때문일 가능성이 높다는 지적이다. CAMS 또한 블로그 게시물에서 "평소보다 추운 날씨가 계속된다고 해서 장기적인 기후 추세를 알 수 없는 것처럼 오존층 파괴가 느리게 시작되었다고 해서 반드시 오존층 회복으로 단정할 수 없다"라고 적었다. 그럼에도 이번 연구 결과는 오랜 기다림 끝에 마침내 오존층이 회복되고 있음을 보여준다. 전문가들은 향후 40년 안에 오존층이 완전히 회복될 수 있다는 희망적인 전망을 내놓았다. 로렌스 루일은 "앞으로 40년 안에 오존층이 더욱 회복될 것으로 기대하며, 이는 국제 협력과 과학적 근거를 바탕으로 한 노력이 지구 대기에 긍정적인 변화를 가져올 수 있음을 보여주는 중요한 사례"라고 말했다. 이는 국제적인 협력과 과학적 노력이 지구 환경 문제 해결에 얼마나 중요한 역할을 하는지 보여주는 좋은 사례다. 오존층 회복은 인류와 지구 생태계를 위한 값진 노력의 결실이 될 것이다.
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2024-09-19
[신소재 신기술(93)] 미국 버팔로대학, 세계 최고 성능 초전도체 와이어 개발…에너지 혁신 앞당겨

미국에서 세계 최고 성능의 초전도체 와이어가 개발됐다. 미국 버팔로 대학교 화학생물공학과 아미트 고얄 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 초전도(HTS) 와이어 개발에 성공했다고 Phys. org, 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 이번에 개발된 와이어는 섭씨 영하 268도에서 영하 196도 사이의 온도에서 작동한다. 이는 다른 초전도체의 작동 온도인 절대 영도보다는 높지만 여전히 극저온 환경이다. HTS 와이어는 전력 손실 없이 전기를 전송할 수 있어 미래 에너지 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다. 해상 풍력 발전소의 전력 출력을 두 배로 높이고, 초전도 자기에너지 저장 시스템을 구축하는 등 에너지 인프라 분야에서 다양한 활용이 기대된다. 또한, 최근에는 핵융합 원자로, 차세대 이미징 및 분광 기술에도 적용되고 있다. HTS 와이어는 비교적 높은 온도에서 작동하는 장점이 있지만, 제조 비용이 높다는 단점이 있었다. 버팔로 대학교 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 이온 빔 보조 증착(IBAD) 기술과 나노기둥 결함 기술을 결합한 새로운 방식을 개발했다. 나노기둥 결함 기술은 절연 또는 초전도 물질을 초전도체에 통합하여 더 높은 초전류 흐름을 가능하게 하는 기술이다. 연구팀은 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO) 와이어에 펄스 레이저 증착 시스템을 사용하여 HTS 필름을 제작했다. 또한 캐나다 맥마스터 대학교와 이탈리아 살레르노 대학교와의 협력을 통해 원자 해상도 현미경 및 초전도 특성 측정을 수행했다. 이번에 개발된 HTS 와이어는 5 켈빈(-268℃)에서 77 켈빈(-196℃)까지 모든 자기장 및 온도에서 최고의 임계 전류 밀도와 고정력을 달성했다. 특히, 4.2 켈빈에서 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 9000만 암페어의 전류를 전달했으며, 7 테슬라의 자기장에서는 제곱센티미터당 9000만 암페어를 전달했다. 또한, 상용 핵융합 반응 온도인 20 켈빈에서는 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 5000만 암페어, 7 테슬라 자기장에서는 제곱센티미터당 6000만 암페어 이상의 전류를 전달하는 데 성공했다. 이러한 성과는 0.2 마이크론 두께의 HTS 필름으로 달성되었다는 점에서 더욱 주목할 만하다. 일반적으로 이 정도의 전류를 전달하려면 10배 더 두꺼운 HTS 와이어가 필요하다. 이 연구의 책임 저자인 아미트 고얄 박사는 "이러한 결과는 산업이 상업용 코팅 도체의 가격 대비 성능 지표를 크게 개선하기 위해 증착 및 제조 조건을 더욱 최적화하는 데 도움이 될 것"이라면서 "가격 대비 성능 지표를 더욱 유리하게 만드는 것은 초전도체의 수많은 대규모 예상 응용 분야를 완전히 실현하는 데 필요하다"고 말했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-08-09
[신소재 신기술(92)] 선박이 배출하는 탄소 포집, 짠 물로 바꿔 바다에 저장하는 원자로 나왔다

국제해운선이 차지하는 세계 무역의 비중은 80%에 달한다. 해운 부문은 전 세계 탄소 배출량의 약 3%를 차지한다. 그러나 기후 변화가 심각한 현재 해운은 기후 목표를 달성할 수 있는 단계에 오르지 못하고 있다. 지난해, 해운을 규제하는 유엔 기관인 국제해사기구는 다른 산업들과 연계해 2050년까지 제로를 달성하는 것을 목표로 해운 산업의 탄소 배출을 강화했다. 그러나 메탄올, 수소, 암모니아 등 저배출 연료의 공급은 빠르지 않다. 캘리포니아 공과대학(칼텍)의 화학 해양학자 제스 애드킨스가 연료 연소로 인해 배출되는 탄소를 바닷물 소금으로 전환할 수 있는 원자로를 화물선에 장착함으로써 탄소 제로에 도움을 줄 수 있다는 아이디어를 제안했다고 CNN이 보도했다. 애드킨스는 이 방법으로 탄소를 10만 년 동안 가두어 둘 수 있다고 밝혔다. 이 아이디어는 바다에서 이미 자연적으로 일어나고 있는 현상과 비슷하다. 원자로를 설계하고 테스트하는 스타트업 칼캐리아(Calcarea)를 설립한 애드킨스는 이 방법이 지구가 수십억 년 동안 자연적으로 진행해 온 반응이라고 언급했다. 해수는 대기로 방출되는 탄소의 약 3분의 1을 자연스럽게 흡수해 물을 산성화하고 바다에 풍부한 탄산칼슘을 용해시킨다. 탄산칼슘은 산호의 뼈대, 조개 및 바다 바닥의 대부분의 퇴적물을 구성하는 모든 것들을 만든다. 용해된 탄산칼슘은 물 속의 탄소와 반응해 중탄산염을 형성하고 탄소를 가두어 둔다. 바닷물에는 현재 이미 3만8000기가톤(38조 톤)의 중탄산염이 존재한다. 칼캐리아는 선박의 배기 가스를 선체의 원자로로 흘려보내 이런 자연적 과정을 모방하고자 한다. 대부분 탄산칼슘으로 구성된 암석인 석회암과 배기 가스 속의 탄소는 혼합물과 반응, 탄소를 중탄산염의 형태로 가두는 짠 물을 만든다. 애드킨스는 원자로를 통해 선박의 탄소 배출량의 약 절반을 포집해 저장하는 것을 목표로 하고 있다. 자연계에서는 이 반응이 1만 년 이상 걸리지만 칼캐리아의 원자로에서는 불과 1분이면 된다고 한다. 이는 탄소와 석회암을 서로 밀접하게 접촉시켜 이루어진다. 만들어진 짠 물은 바다로 방출되며, 이는 해양 생물이나 해수의 화학적 균형에 위협이 되지 않는다. 회사는 또 미립자 및 연소되지 않은 연료와 같은 다른 오염 물질과 기타 오염 물질을 제거하기 위해 필터를 추가하는 방안도 강구 중이라고 밝혔다. 애드킨스는 2년 동안 프로젝트를 진행한 후 2023년 1월 회사를 칼텍에서 분사했다. 칼텍의 학부생인 멜리사 구티에레즈, 엔지니어인 피에르 포린, 서던캘리포니아 대학교(USC) 교수이자 지구화학자인 윌 베렐슨 등 세 명이 공동 창립자로 참여했다. 회사는 350만 달러의 초기 자금을 조달하고 시스템 개발에 집중했다. 칼캐리아는 USC 주차장과 로스앤젤레스 항구에 각각 하나씩의 프로토타입 원자로를 건설했다. 5월 말, 칼캐리아는 국제 운송 회사인 로마(Lomar)와 연구개발 협력 계약을 맺었다고 발표했다. 애드킨스는 이를 통해 첫 번째 원자로가 선박에 장착될 것이라고 전했다. 애드킨스는 칼캐리아 솔루션이 해운 산업이 보다 친환경적인 연료로 전환하는 것과 함께, 해운의 탈탄소화에 도움을 줄 수 있다고 확신했다. 더 먼 미래에는 이 원자로가 대기에서 포집된 탄소를 지하에 저장하는 대안으로 활용될 수 있다고 부연했다.
- 산업
2024-08-08
[우주의 속삭임(19)] 우주의 새벽에 최초로 병합되는 은하핵 '퀘이사 쌍' 발견

은하계는 광대하지만, 여전히 충돌하고 합쳐지며 겹쳐진다. 그런 가운데 일본 에히메 대학의 마쓰오카 요시키 교수를 필두로 한 국제 천문학자 팀이 지금까지 발견된 것 중 가장 먼 우주 가장자리에서 한 쌍의 퀘이사(Quasar)를 발견했다고 퍼퓰러사이언스가 전했다. 연구팀은 하와이에 있는 지상 제미니 노스(Gemini North) 및 스바루 망원경으로 이를 관측하고 데이터를 분석했다. 발견된 두 개의 은하핵 퀘이사는 먼지와 가스가 중앙의 초거대 블랙홀로 떨어지는 가운데 서로 합쳐(병합)지고 있다. 그 과정에서 이 퀘이사 쌍은 엄청난 양의 빛을 방출했다. 연구팀은 이 빛을 찾아냈고, 이것이 두 개의 퀘이사 쌍임을 밝혔다. 연구팀은 발견된 퀘이사 쌍이 우주의 새벽(Cosmic Dawn: 빅뱅 이후 약 5000만~10억 년), 즉 초창기 우주 여명기에 해당하는 은하핵이라고 말했다. 특히 우주의 새벽 중에서도 우주 암흑기를 끝내고 별과 은하와 같은 요즘과 같은 천체가 구성되기 시작하고 어두운 우주가 처음으로 빛으로 가득 찰 무렵인 ‘재이온화 시기’에 해당하는 천체다. 퀘이사란? 우주는 빅뱅 이후 거의 140억 년 동안 팽창해 왔다. 초기 우주는 지금보다 매우 작았으며 은하계 서로 상호 작용하고 병합될 가능성이 컸다. 퀘이사는 거대 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성되는 발광체를 말한다. 블랙홀은 퀘이사의 중심에 있으며, 주위에는 원반이 둘러싸고 있고, 원반 물질은 소용돌이 모양으로 회전하며 블랙홀로 빨려 들어간다. 은하 병합은 가스와 먼지가 초거대 질량의 블랙홀로 떨어지면서 퀘이사를 밝게 빛나게 하는 에너지다. 블랙홀로 떨어지는 원반 물질의 중력 에너지는 빛 에너지로 바뀌고, 여기에서 거대한 빛이 방출된다. 즉, 퀘이사는 지구에서 멀리 떨어진 우주 가장자리에서 발견되는 광원으로서, 멀리 떨어져 있기 때문에 우주 탄생 초창기인 우주의 새벽 시기의 천체다. 재이온화 시대의 의미 천문학자들은 우주의 재이온화 시대를 빅뱅 이후 대략 4억 년으로 잡는다. 우주 탄생 직후 우주 온도가 높았을 때는 수소의 양성자와 전자가 분리돼 이온화된 상태였다. 시간이 지나면서 우주의 온도는 낮아졌고, 양성자와 전자는 중성수소 원자로 결합됐다. 이를 우주 재결합시대라고 한다. 그 후 일어난 우주 재이온화는 중성수소 원자가 양성자와 전자로 다시 이온화되던 시기를 말한다. 천문학자들에 따르면 재이온화 시대 당시의 수소 이온화는 우주 역사에서 매우 중요한 시대였다. 이 시기는 우주의 암흑시대의 종말이며, 오늘날 지구상에서 볼 수 있는 별이 빛나는 은하구조의 시작이었다. 이번에 발견된 방합 중인 퀘이사는 우주 암흑기를 지나 최초의 별과 은하가 나타났던 우주의 새벽 기간, 그 중에서도 우주 재이온화 시대에서 나타난 것이다. 빨간색 광원 퀘이사 쌍의 합병 천문학자들은 우주의 재이온화 시대에 퀘이사가 수행한 정확한 역할을 이해하기 위해 우주의 초기 및 먼 시대에서 퀘이사를 찾고 있다. 마쓰오카 교수는 "재이온화 시대 퀘이사의 통계적 특성은 재이온화의 진행과 기원, 우주의 새벽 동안 초거대 블랙홀의 형성, 퀘이사 은하의 최초 진화 등 많은 것을 말해준다"고 말했다. 재이온화 시대에 약 300개의 퀘이사가 발견됐지만, 쌍을 이루는 퀘이사가 관측된 것은 이번이 처음이다. 연구팀의 퀘이사 발견은 우연이었다. 망원경으로 촬영한 이미지를 검토하다가 희미한 빨간색 광원을 발견했던 것. 팀은 그러나 나타난 붉은 색 광원 두 개가 퀘이사 쌍이었는지를 확신할 수 없었다. 팀은 스바루 망원경과 제미니 노스의 분광기를 사용해 빛을 분석했고, 결국 두 개의 블랙홀을 품은 퀘이사 쌍임을 확인했다 또한 둘 사이에 가스로 이어진 다리 구조도 찾아냈다. 연구팀은 감지된 빛의 일부가 실제로 퀘이사 자체에서 나오는 것이 아니라고 추정했다. 팀은 또한 중앙에 있는 두 개의 블랙홀이 태양 질량의 약 1억 배에 달하는 크기임을 밝혔다. 발견된 현상을 종합해 보면 두 퀘이사는 대규모의 합병을 진행하고 있음을 시사했다. 재이온화 시대의 병합 퀘이사 존재는 오랫동안 예상돼 왔지만, 이번에 처음으로 확인된 순간이었다.
- IT/바이오
2024-06-26
빌 게이츠의 테라파워, 첫 소형원자로(SMR) 착공…SK도 투자

마이크로소프트(MS) 창업자 빌 게이츠가 설립한 차세대 소형모듈원자로(SMR) 기업 테라파워가 미국 내 첫 SMR 건설에 착수했다. 11일 SK㈜와 AP 통신 등에 따르면 테라파워는 10일(현지시간) 미국 와이오밍주 케머러에서 착공식을 열고 4세대 SMR 원자로인 '나트륨'을 포함해 전력 생산 장비 등 기타 제반 공사에 본격적으로 시작했다. 이날 착공식에는 빌 게이츠 테라파워 창업자와 크리스 르베크 테라파워 최고경영자(CEO), 유정준 SK온 부회장 겸 SK아메리카스 대표, 김무환 SK㈜ 그린부문장 등이 참석했다. 테라파워는 지난 3월 미 규제당국인 원자력규제위원회(NRC)에 나트륨 원자로 건설 허가를 신청했다. 승인되면 상업용원자로로 운영될 예정이다. 이날 시작된 공사는 NRC의 승인이 내려지면 가능한 한 빨리 원자로를 건설할 수 있도록 부지를 준비하는 작업이라고 AP가 전했다. 테라파워의 나트륨 원자로는 냉각재로 물이 아닌 액체 나트륨을 사용하는 것이 특징이다. 액체 나트륨은 끓는 점이 880℃로 물(100℃)보다 높아 더 많은 열을 흡수하면서 발전 출력을 높일 수 있는 등의 장점이 있다. 러시아는 나트륨 냉각 원자로 개발에 앞장서고 있다. 이런 기술은 세계적으로 수십 년 전부터 사용됐지만, 미국은 그동안 상업용 발전소로 전통적인 수랭식 원자로만 계속 건설해 왔다. 게이츠는 기공식에서 이 차세대 발전소에 대해 "우리는 곧 미국 에너지의 미래를 움직일 것"이라고 기대했다. 그는 "이것은 안전하고 풍부한 탄소 제로 에너지를 향한 큰 진전이다. 우리의 경제와 기후 목표를 달성하기 위해 우리는 더 풍부한 청정에너지가 필요하다"고 말했다. NCR에 따르면 와이오밍 프로젝트는 기업이 미국에서 첨단 원자로를 상업발전소로 가동하려고 시도한 것은 약 40년 만에 처음이다. 테라파워의 이번 프로젝트에는 최대 40억달러(약 5조5000억원)의 비용이 들 것으로 예상되며, 그중 절반은 미 에너지부(DOE)에서 지원할 예정이다. 테라파워의 SMR 실증단지는 세계적인 투자자 워런 버핏이 소유한 전력회사 파시피콥의 석탄화력발전소 부지 내에 약 25만가구가 동시에 사용할 수 있는 용량인 345㎿(메가와트)급 단지로 구축된다. 테라파워는 2030년까지 SMR 실증단지를 완공하고 상업운전까지 돌입하는 것을 목표로 하고 있다. 기존 화력발전소를 대체해 지역 주민들에게 전력을 공급할 계획이다. 이번에 건설되는 345㎿ 원자로는 최대 500㎿까지 생산할 수 있으며, 이는 최대 40만가구에 전력을 공급할 수 있는 양이다. 앞서 SK㈜와 SK이노베이션은 2022년 테라파워에 2억5000만달러(당시 약 3000억원)를 투자해 선도 투자자 지위를 확보하고 있다. 실증 사업이 성공적으로 진행될 경우 SK는 테라파워와 함께 아시아 사업 진출을 주도할 것으로 전망된다. SMR은 기존 원전에서 발전 용량과 크기를 줄인 소형 원전으로, 부지 규모가 작고 안정성이 높아 도시와 산업단지 등 전력 수요처 인근에 구축하기 유리하다. 원자로는 지구 온난화의 주범인 온실 가스를 배출하지 않고 작동한다. 또 소형 원전인만큼 건설 시간과 비용 모두 기존 원전 대비 대폭 줄일 수 있어 미국과 한국, 프랑스, 러시아, 중국 등 원전 기술 강국들이 SMR 개발과 상용화를 서두르고 있다. 최근에는 인공지능(AI) 산업의 급격한 성장으로 전 세계에서 전력 수요가 폭발적으로 증가하면서 SMR이 이를 해결할 유력한 방안으로 주목받고 있다. 세계경제포럼(WEF)은 2040년까지 SMR 시장이 연평균 22%씩 성장할 것으로 내다봤으며, 영국 국가원자력연구원(NNL)은 2035년 SMR 시장 규모가 약 400조∼600조원 수준에 달할 것으로 전망하기도 했다. 한편, 빌 게이츠는 민간 부문에서 탄소 연료를 쓰지 않는 안전하고 풍부한 청정에너지를 생산한다는 목표로 2008년 테라파워를 공동 설립했다. 테라파워는 원자로 냉각재로 물을 사용하지 않는 비경수형 원전 시대를 주도하고 있다. 경수형인 3세대는 고온의 핵연료를 식혀주는 냉각재로 물을 사용하지만, 4세대 비경수형 원자로는 물 대신 액체금속, 가스 등을 사용한다. 원자로는 높은 온도에서 작동될수록 발전 효율이 높아지고 경제성도 나아진다. 물을 사용하지 않는 4세대는 이전 세대보다 월등히 높은 온도에서 가동이 가능하다. 물을 사용하지 않아 유사시 오염수가 발생할 우려도 없다. 챗 GPT 개발사인 오픈AI의 샘 올트먼 CEO도 소형도듈원전 개발사인 오클로에 투자했다. 오클로는 현재 가동중인 원전은 없고, 2027년 첫 원전가동을 목표로 하고 있다. 오클로는 올트먼이 향후 AI가동을 위해 급격히 늘어날 것으로 예상되는 전력 수요에 대비해 투자한 회사 중 하나다. 김무환 SK㈜ 부문장은 "테라파워는 탄탄한 기술력을 바탕으로 미국 정부, 민간기업 등과의 파트너십을 통해 상업화에 빠르게 다가서고 있다"며 "향후 테라파워와의 협력을 통해 아시아 지역에서 다양한 사업 기회를 발굴할 것"이라고 말했다.
- 산업
2024-06-11
희토류 원소 방사성 '프로메튬' 비밀 80년 만에 밝혀져

특수 용도로 사용되는 희토류 원소인 방사성 물질 프로메튬(promethium)이 발견된 지 80년 만에, 과학자들이 처음으로 프로메튬의 신비하고도 중요한 특성을 밝혀내 주목된다고 라이브사이언스가 전했다. 프로메튬은 주기율표의 맨 아래 15개의 란타넘족에 속해 있는 원자번호 61번의 원소다. 희토류로 알려진 프로메튬은 강한 자성과 특이한 광학 특성을 포함해 여러 가지 유용한 특성을 나타내 현대 전자 장치 소재로 중요하게 사용된다. 프로메튬은 안정된 동위원소는 없고 방사성 동위원소들만 존재한다. 프로메튬은 미국 오크리지 국립연구소(ORNL: Oak Ridge National Laboratory)가 지난 1945년 처음으로 발견했다. ORNL 연구원들이 발견한 프로메튬 자체는 원자 배터리 및 암 진단 분야에서 적용됐다. 그러나 이 원소의 화학적 성질은 지극히 일부만 알려졌고, 이 때문에 더 널리 사용되는 것은 지금까지 불가능했다. 방사성 원소를 연구하는 것 자체가 적합한 샘플 확보의 어려움으로 인해 수십 년 동안 높은 장벽으로 작용했던 것. 연구팀인 ORNL의 알렉산더 이바노프는 "프로메튬에는 안정된 동위원소가 없고 모두가 방사성이기 때문에 시간이 지남에 따라 다른 원소로 붕괴된다. 프로메튬은 핵분열 과정을 통해 얻어지기 때문에 특히 희소하고 연구하기 어렵다"고 말했다. 그런데 작년에 개발된 프로메튬 생산 방법을 사용, ORNL 연구팀은 이 동위원소를 원자로 폐기물로부터 분리, 연구를 위한 가장 순수한 샘플을 만들어내는 데 성공했다. 그 후 연구팀은 이 샘플을 금속 원자를 가두기 위해 특별히 고안된 분자인 리간드(수용체에 결합하는 항체·호르몬·약제 등의 분자)와 결합해 물속에서 안정적인 복합체를 형성했다. PyDGA로 알려진 배위 분자(리간드 배위 결합을 통해 형성된 분자)는 9개의 프로메튬-산소 결합을 형성했다. 이 결합은 연구팀에 프로메튬 복합체의 결합 특성을 분석할 수 있는 기회를 처음으로 제공했다. 그러나 분석하는 일도 쉽지는 않았다. 프로메튬이 방사성이었기 때문에 일단 붕괴되면, 주기율표상 인접 원소인 사마륨으로 변환된다. 사마륨 형태로 소량의 오염이 발생하게 됐던 것이다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 ‘싱크로트론 기반 X선 흡수 분광법’이라는 극도로 전문화된 기술을 사용했다. 입자 가속기에 의해 생성된 고에너지 광자는 프로메튬 복합체에 충격을 가해 원자의 위치와 결합 길이의 그림을 만들었다. 금속-산소 결합 길이의 미묘한 차이를 통해 팀은 오염된 사마륨과 관계없이 주요 프로메튬-산소 결합 분석에 집중할 수 있었다. 결국 이런 방식을 통해 연구팀은 처음으로 프로메튬의 특성을 다른 희토류 복합체와 비교할 수 있었다. 리간드는 모든 란타넘족 원소에 안정적인 복합체를 형성할 수 있는 방법을 제공했다. 동일한 원소 비율과 동일한 종류의 기하학적 구조를 가질 수 있게 된 것이다. 이로써 복합체의 기본적인 물리적 화학적 특성을 연구할 수 있었다. 란타넘족은 자연적인 원소들의 혼합물로 발견되므로, 결합 길이 및 복합체 형성과 같은 주기적인 경향을 이해하는 것은 과학자들이 금속을 분리하는 새롭고 보다 효율적인 방법을 개발하는 데 도움이 된다. ORNL의 연구원이자 '네이처' 지에 발표된 새로운 연구를 이끈 일자 포포브스는 라이브사이언스와의 인터뷰에서 "프로메튬은 레이저에 사용되며 스마트폰 화면에도 일부 들어간다. 또한 풍력 발전을 위한 풍력터빈과 전기자동차의 자석에도 쓰인다"고 말하고, 프로메튬에 대한 추가 연구가 이루어지면 응용을 대폭 확대할 수 있다고 설명했다. 현재 ORNL 연구팀은 프로메튬 원소의 화학적 움직임과 배위 환경에 대한 보다 명확한 그림을 만들기 위해 물속의 프로메튬 연구를 확대하고 있다. 포포브스는 "우리의 연구가 다른 과학자들에게 더 나은 분리 기술을 설계하는 방법을 알려주고, 다른 응용 분야 연구에 더 많은 관심을 불러일으킬 수 있기를 바란다"고 말했다.
- 경제
2024-06-03
[우주의 속삭임(10)] 우주 최초의 은하 탄생, 처음으로 관측

제임스 웹 우주 망원경을 통해 130억 년 이상 전에 우주에서 가장 초기의 은하 세 개가 형성되는 것이 최초로 목격됐다고 PHYS가 전했다. 이는 덴마크 코펜하겐 대학 닐스 보어 연구소(Niels Bohr Institute)가 발견했으며, 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다. 이 발견은 우주 지식의 중요한 기여로 평가받고 있다. 연구소의 천문학자들은 초기 은하의 발견이 천문학 역사상 처음이며 이 세 은하의 탄생은 133억~134억 년 전에 이루어졌다고 밝혔다. 연구원들은 망원경을 통해 작은 은하가 만들어지는 과정에서 축적되는 대량의 가스가 내보내는 신호를 포착했다. 이론과 컴퓨터 시뮬레이션으로만 알려진 은하 형성 방식이 이번에 실제로 목격된 것이다. 닐스 보어 연구소의 카스퍼 엘름 하인츠 교수는 "이는 천문학자가 관측한 최초의 은하 형성에 대한 '직접적인' 이미지라고 말할 수 있다. 과거 진화 후기 단계에 있는 초기 은하들을 제임스 웹 망원경으로 관측한 적은 있지만, 이번에 은하의 탄생과 우주 최초의 항성 체계의 구축을 목격하는 데 성공했다”고 설명했다. 빅뱅 직후에 탄생한 은하들 연구자들은 세 은하의 탄생이 빅뱅(138억 년 전 대폭발을 통해 우주가 탄생하고 그 이후 계속 팽창하고 있다는 이론) 이후 대략 4억~6억 년 후에 발생한 것으로 추정했다. 4억 년이라고 하면 긴 시간처럼 들리지만, 우주 전체 수명을 138억 년이라고 가정하면 매우 짧은 기간에 해당한다. 빅뱅 직후 우주는 수소 원자로 이루어진 거대하고 불투명한 가스였다. 맑은 날 청정한 밤하늘에 수없이 많이 보이는 별들로 도배되는 오늘날과는 전혀 다른 모습이었다. 관측 보고서는 "빅뱅 이후 수억 년 동안 별과 가스가 은하로 합쳐지기 전, 첫 번째 별이 형성됐는데, 이번 관찰이 그 단계“라고 밝혔다. 은하계의 탄생은 우주 역사상 재이온화기(Epoch of Reionization)로 알려진 시기에 일어났다. 빅뱅 뒤 약 4억 년 쯤 뒤에 수소의 이온화가 이루어진 것. 이때 일부 최초의 은하계 에너지와 빛이 수소 가스를 뚫고 나왔다. 닐스 보어 연구소가 망원경의 적외선 비전을 사용해 포착한 것이 바로 이 대량의 수소 가스다. 이는 현재까지 천문학계가 발견한 별과 은하의 구성 요소인 차가운 중성 수소 가스 중 가장 먼 거리 측정이다. 우주 기원에 대한 이해 높여 이 연구는 하인츠 교수가 연구소의 동료 천문학자들과 협력해 수행했다. 연구소는 새로운 발견을 더욱 확장하고, 은하 형성의 가장 초기 시대에 대한 추가 연구를 위해 제임스 웹 우주 망원경 관측 시간을 확대 신청했다. 연구소는 발견된 최초 은하를 토대로 매핑하는 작업에 착수할 계획이다. 시각적으로 볼 수 있는 우주의 한계를 더욱 확장하겠다는 것. 연구팀은 우주의 첫 생성 순간을 포착한 것 자체가 우주에 대한 지식을 한 차원 끌어올린 것이라고 지적하고, 앞으로도 이를 지속적으로 관찰함으로써 좀 더 많은 해답을 모으고 퍼즐을 맞추어 우주의 기원을 밝히는 데 기여한다는 방침이다.
- IT/바이오
2024-05-27
[신소재 신기술(48)] 해킹 불가능한 양자 항법 시스템, 영국에서 최초 비행 테스트

영국에서 해킹이 불가능한 항공기 양자 기술 시험 비행이 성공했다. 영국 항공기에서 획기적인 양자 기술 시험 비행이 성공적으로 진행되어 기존 GPS 시스템을 보완하는 견고한 백업 시스템 개발에 새로운 가능성을 제시했다고 BBC가 최근 보도했다. 이번 연구 개발을 지원한 영국 정부는 공개적으로 인정된 최초의 양자 기술 항공기 시험 비행이라고 밝혔다. 앤드류 그리피스 과학부장관은 지난 9일(현지시간) 시험 비행 후 "영국이 세계 양자 기술 선두 국가임을 다시 한 번 증명하는 사례"라고 밝혔다. 양자 기술 기업인 인플렉션(Infleqtion)이 주도하고 업계 및 학계 파트너와 협력한 이 프로젝트는 정부로부터 약 800만 파운드(약 137억원)의 지원을 받았다. 25억 파운드(약 4조 2947억원) 규모의 국가 양자 전략(National Quantum Strategy) 및 국가 양자 기술 프로그램(National Quantum Technologies Programme)과 함께 이 자금 지원은 선도적인 양자 기반 경제로서 영국의 입지를 확고히 하는 것이 목표라고 영국 국방 기술업체 키네틱(QinetiQ)은 밝혔다. 인플렉션이 이끄는 틈은 일련의 시험 비행 동안 두 가지 획기적인 양자 기술, 즉 기술 기업 티커(Tiqker) 광학 원자 시계와 밀폐된 초저온 원자 기반 양지 시스템을 키네틱의 개조 항공기인 RJ100에 탑재해 시연했다. 현재 주로 사용되고 있는 GPS는 위성 기반 시스템이지만, 이번 시험에 사용된 것은 양자 기반 시스템이다. 양자 기술은 매우 미세한 단위의 물질 특성을 이용하는 기술을 말한다. GPS는 항공기, 선박, 자동차 운행뿐만 아니라 군사 분야에서도 중요하게 사용되며, 스마트폰의 위치 정보에도 활용된다. 하지만 GPS 신호는 간섭(재밍, jamming) 또는 위장(스푸핑, spoofed)을 통해 오류를 발생시킬 수 있다. 실제로 지난 3월 그랜트 샤프스 영국 국방장관이 탑승한 RAF 항공기의 GPS 신호가 러시아 영토 인근을 비행하는 동안 간섭을 받았던 사례가 있다. 핀란드 항공사인 핀에어 또한 항공기 2대가 GPS 간섭을 받은 후 매일 운항하던 에스토니아 타르투(Tartu) 행 운항을 한 달 동안 중단해야 했다. 전문가들은 러시아가 위성 항법 시스템에 장애를 일으켜 수천 건의 민간 항공편에 영향을 미쳤다고 비난했다. 드론과 미사일을 포함한 많은 군사 기술에도 GPS가 사용된다. 하지만 GPS 간섭은 소규모로도 진행될 수 있다. 예를 들어 고용주가 차량에 GPS 추적 장치를 설치한 경우 운전자가 이를 차단하는 데에도 사용될 수 있다. 전문가들은 GPS가 우주에서 수신되는 신호에 의존하기 때문에 자동차 헤드라이트 정도의 출력만을 갖춘 GPS 위성은 쉽게 간섭을 받을 수 있다고 지적했다. 영국에서 이번에 시험 운행한 새로운 시스템은 -273°C(절대 영도 근처)까지 냉각된 원자 군을 사용한다. 원자 군은 항공기 자체에 탑재되기 때문에 스푸핑이나 전파 방해의 영향을 받지 않는다. 새로운 시스템은 매우 작은 입자를 다루는 과학 용어로 ‘양자 시스템’이라고 부른다. 개별 원자는 엄청나게 작으며(머리카락 한 가닥은 약 100만 개의 원자로 이루어져 있음), 이러한 미세한 양자 단위에서 작업하는 것은 지상에서도 매우 어렵다. 원자를 사용하는 이 시스템은 항공기의 방향과 가속도 측정을 목표로 한다. 이를 종합적으로 활용하면 비행기의 정확한 위치를 정밀하게 파악하는 데 사용할 수 있다. 이번 시험 비행은 이처럼 미세한 원자를 매우 제한된 공간인 까다로운 항공기 환경에서도 사용할 수 있음을 보여주었다. 영국 정부는 이번 시험 비행이 "영국 내 최초의 항공기 탑재 양자 기술 시험"이자 "공개적으로 알려진 전 세계 최초의 시험 비행"이라고 밝혔다. 이달 초 마무리된 이번 시험 비행에는 양자 기술 기업인 인플렉션(Infleqtion)과 항공 우주 기업 BAE 시스템스(BAE Systems), 영국의 방 및 안보 과학 기술 연구 기관 키네틱(QinetiQ)이 참여했다. 하지만 양자 기술 자체는 매우 미세하지만 현재까지 개발된 장비는 여전히 사이즈가 크다는 단점이 있다. 이 프로젝트에 참여했던 BAE 시스템스 팀의 헨리 화이트(Henry White)는 이러한 이유로 "더 넓은 공간을 확보할 수 있는 선박"에 처음으로 적용될 가능성이 있다고 언급했다. 이번 시험 비행에서는 GPS 신호가 차단된 경우 백업으로 사용할 수 있는 양자 시계도 항공기에 탑재됐다. 실험실에서 최고의 양자 시계는 놀라운 정확도를 자랑했다. 화이트는 "우주 초기부터 작동하기 시작했다면 지금까지 1초도 늦지 않았을 것"이라고 말했다. 그는 이번 시험 비행이 "중대한 이정표"라고 평가하면서도 실제 활용까지는 시간이 걸릴 것이라고 인정했다. 항공 보안 분야의 사이버 보안 회사인 펜 테스트 파트너스(Pen Test Partners)의 켄 문로(Ken Munro)는 이번 시험 비행이 "올바른 방향으로 나아가는 중요한 발걸음"이라고 평가하면서도 "영국 상용 항공 분야에서 실제로 적용되기까지는 10~20년이 걸릴 것"이라고 예상했다. 영국 항공기에서 진행된 양자 기술 시험 비행은 GPS 시스템에 대한 의존도를 높일 수 있는 획기적인 기술 개발에 중요한 진전을 보여주었다. BBC는 아직 초기 단계이지만, 이번 시험 비행은 미래 항공 및 해양 운송 분야에 혁신을 가져올 수 있는 문을 열었다고 평가했다. 향후 연구 개발을 통해 양자 기술 기반 항법 시스템의 정확도, 효율성, 실용성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-05-17
[신소재 신기술(39)] 식염수로 폐전자제품서 희토류 광물 회수

미국 에너지부 산하 태평양 북서부 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory) 연구원들은 폐전자제품에서 망간, 마그네슘, 디스프로슘, 네오디뮴 등 주요 희토류를 선택적으로 회수하는 방법을 개발했다고 마이닝닷컴이 전했다. 연구팀은 간단한 혼합염 수용액과 금속 특성에 대한 지식을 활용하여 연속 흐름 반응로(챔버)에서 이러한 미네랄을 분리할 수 있었다. 두 개의 보완 연구 기사에 자세히 설명되어 있고 시애틀에서 열린 2024 재료 연구 학회(MRS) 춘계 회의에서 발표된 이 방법은 두 개의 서로 다른 액체가 지속적으로 함께 흐르는 화학 반응 챔버에 배치되었을 때 서로 다른 금속의 거동을 기반으로 합니다. 연구팀은 금속이 시간이 지남에 따라 서로 다른 속도로 고체를 형성하는 경향을 이용하여 금속을 분리하고 정제했습니다. 이 방법은 2024년 시애틀에서 열린 재료 연구 학회(MRS) 봄 회의 발표와 함께 두 편의 연구 논문에 상세히 설명되어 있으며, 두 개의 서로 다른 액체가 지속적으로 함께 연속 흐름 반응로(챔버)에서 다른 금속들의 행동을 기반으로 한다. 연구팀은 금속들이 서로 다른 속도로 고체를 형성하는 경향을 이용하여 광물을 분리 및 정제했다. 이 그룹은 2024년 2월에 처음으로 두 가지 필수 희토류 원소인 네오디뮴과 디스프로슘을 혼합 액체에서 성공적으로 분리했다고 보고했다. 기존 분리 방법에 일반적으로 필요한 30시간에 비해 4시간 만에 반응 챔버에서 두 개의 분리되고 정제된 고체가 형성되었다. 두 가지 중요한 광물은 무엇보다도 컴퓨터 하드 드라이브와 풍력 터빈에서 발견되는 영구 자석을 제조하는 데 사용된다. 지금까지 매우 유사한 특성을 가진 이러한 요소를 분리하는 것은 어려운 일이었다. 전자 폐기물에서 이를 경제적으로 회수할 수 있는 능력은 이러한 주요 광물의 새로운 시장과 공급원을 열 수 있다. 이 두 가지 중요 광물은 컴퓨터 하드 드라이브와 풍력 터빈 등에 사용되는 영구 자석 제조에 사용된다. 지금까지는 성질이 매우 유사한 이러한 원소들을 분리하는 것은 어려운 과제였다. 전자 폐기물에서 이들을 경제적으로 회수할 수 있는 능력은 이러한 중요 광물의 새로운 시장과 공급원을 열 수 있다. 마그네슘 공급원인 광산 폐기물과 염수 전자 폐기물에서 광물을 회수하는 것이 이 분리 기술의 유일한 응용 분야는 아니다. 연구팀은 바닷물은 물론 광산 폐기물과 염호 염수로부터 마그네슘을 회수하는 방법을 연구하고 있다. 수석 연구원 친푸 왕(Qingpu Wang)은 보도자료에서 “다음으로 더 많은 양의 제품을 효율적으로 회수하기 위해 원자로 설계를 수정하고 있다”고 말했다. 왕과 그의 동료 엘리아스 나쿠지(Elias Nakouzi)는 보완 기술을 사용해 용해된 리튬 이온 배터리 폐기물을 모방한 용액에서 거의 순수한 망간(>96%)을 회수할 수 있음을 보여주었다. 배터리용 망간은 전 세계적으로 소수의 회사에서 생산되며 주로 음극 또는 배터리의 음극 또는 음극에 사용된다. 본 연구에서 연구팀은 젤 기반 시스템을 사용하여 샘플 내 금속의 다양한 이동 및 반응 속도를 기반으로 물질을 분리했다. 나쿠지는 "이 프로세스의 장점은 간단하다는 것이다"라고 말했다. 그는 "고비용 또는 특수 재료에 의존하는 대신 우리는 이온 거동의 기본 원리를 다시 생각했다. 그리고 거기에서 영감을 얻었다"라고 설명했다. 연구팀은 연구 범위를 확대하고 중요 미네랄과 희토류 원소의 안정적인 국내 공급망을 제공하기 위해 환경 친화적인 새로운 분리 기술을 개발하는 PNNL의 새로운 이니셔티브인 '비평형 수송 구동 분리(NETS, Non-Equilibrium Transport Driven Separations)'를 통해 프로세스를 확장시킬 예정이다. 나쿠지는 "이 접근 방식은 복합적인 공급 흐름과 다양한 화학 성질로부터의 화학 분리와 관련하여 폭넓게 적용될 것으로 예상되며, 이는 더욱 지속 가능한 재료 추출 및 처리를 가능하게 할 것으로 기대한다"라고 말했다.
- 포커스온
2024-04-29
[퓨처 Eyes(30)] 한국형 인공태양, 1억도 플라즈마 세계 신기록 수립

한국 핵융합에너지연구원(핵융합연·KFE) 연구팀은 인공태양 연구에서 획기적인 성과를 달성하며 과학 역사에 찬란한 족적을 남겼다. 바로 1억도 플라즈마를 48초간 유지하는 놀라운 기록을 세운 것이다. 이는 핵융합 에너지 실현이라는 꿈에 한 발짝 더 다가선 뜻깊은 성과이다. KSTAR(한국 초전도 토카막 핵융합 연구장치)라는 인공태양 핵융합로를 활용한 이번 연구는 한국 과학자들의 탁월한 기술력을 여실히 보여준다. 1억도라는 극한의 온도를 48초간 유지하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이는 핵융합 에너지 개발 분야에서 세계 최고 수준의 기술력을 자랑하는 한국 과학의 위상을 더욱 굳건히 하는 계기가 되었다. 토카막(Tokamak)은 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적인 상태를 유지하도록 제어한다. 1억도 플라즈마 48초간 유지 KFE는 한국의 '인공태양'으로 불리는 KSTAR가 최근 실험에서 핵심 부품을 업그레이드해 태양 중심핵 온도의 7배에 해당하는 1억도의 플라즈마를 48초 동안 연속 운전하는데 성공했다고 지난 3월 27일 밝혔다. 이는 2022년 기록했던 30초를 크게 뛰어넘는 놀라운 발전이며, 핵융합 기술의 지속적인 진보를 보여주는 명확한 증거이다. 플라즈마는 높은 온도에서 전자와 양이온이 분리되어 형성되는, 전기적으로 중성인 기체 상태이다. 이는 태양과 별의 뜨거운 심장부에서 발견되는 특별한 물질 상태이며, 핵융합 반응의 필수적인 요소이다. KSTAR는 한국 초전도 토카막 첨단연구의 정식 명칭으로, 2022년에 1억도 플라즈마를 30초간 유지하는 기록을 세웠다. 텅스텐 디버터로 안정성 향상 2023년 12월 31일부터 3개월간 진행된 최근 테스트에서 KSTAR은 텅스텐 디버터를 사용해 플라즈마의 안정성을 크게 향상시키고 유지 시간을 48초까지 늘리는 데 성공했다. 이는 이전 기록 30초를 크게 뛰어넘는 성과다. 또한 저감속 모드보다 안정적인 고성능 플라즈마 운전 모드인 'H 모드(H-mode)'를 102초 동안 장시간 유지하며 기록을 경신했다. H-모드는 토카막형 핵융합 장치 운전시 특정 조건 하에서 플라즈마의 가둠 성능이 약 2배 증가하는 현상이다. 이는 핵융합 연구 분야에서 획기적인 진보를 의미하며, 미래 에너지 문제 해결에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 1억도 운전을 추진한 고성능시나리오연구팀 한현선 박사는 "1억도 초고온 이온 플라즈마(High-Ti shot) 운전을 기존 30초에서 48초간 유지 달성하며 우리의 운전 방식이 40초대에서도 유효함을 확인했다. 지난해에는 플라즈마를 충분히 가열하고 유지할 파워가 부족해 실험이 어려웠다. 이번에는 중성자빔 가열장치의 성능 향상이 48초 유지의 바탕이 됐다"며 1억도 플라즈마의 장시간 운전은 초고온 플라즈마에 대한 이해를 높일 수 있는 자료이자 향후 핵융합 발전로에 쓰일 새로운 운전 모드 연구의 기반이 된다고 말했다. 텅스텐 재질 디버터(divertor)의 도입이 이러한 획기적인 성과를 가능하게 했다. 디버터는 핵융합 반응에서 발생하는 열과 불순물을 제거해 플라즈마 오염을 최소화하고 주변 장벽을 보호하는 역할을 한다. 텅스텐은 기존 탄소 재질보다 녹는점이 훨씬 높아 열 부하에 대한 내구성이 뛰어나다. 실험 결과, 텅스텐 디버터는 동일한 열 부하 상황에서 표면 온도 상승률이 25% 감소했다. KSTAR 연구 본부 고성능시나리오팀 김현석 선임연구원은 "디버터는 플라즈마의 열속이 집중되는 부분이다. 이번 테스트를 준비하면서 KSTAR처럼 토카막 내벽을 텅스텐으로 교체한 해외 융합 장치들의 사례를 토대로 KSTAR의 새로은 텅스텐 환경이 기본 카본 환경과 크게 다르지 않을 것으로 에상했다. 하지만 초기 실험에서 무언가 달랐다"고 전했다. 김 연구원은 "초기에 토카막 내벽 온도가 잘 안 올라갔다. 디버터는 소재만 바뀐 게 아니라 아랫부분의 구조(형상)도 기존 직선형에서 고래꼬리 형태로 바뀌었다. 형상과 소재 두 가지 요인이 복합적으로 작용해서 플라즈마 성질이 바뀌었는데, 바뀐 형태에서 어떻게 해야 좋은 성능을 발휘할 수 있을지 고민했다. 샷이 발생하면 과거의 형상을 만드는 것에서 시작해서 플라즈마 성능을 잠시 유지하고 안정이 되면 바뀐 디버터 형상으로 바꾸어 유리하는 전략으로 운전하며 기존 성능을 재현할 수 있엇다"고 설명했다. 핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵을 만들면서 엄청난 양의 에너지를 방출하는 과정이다. 모든 금속 중 가장 높은 녹는점(3422°C)을 자랑하는 텅스텐은 핵융합 반응의 극한 환경에서도 흔들림 없이 자리한다. 또한 낮은 불순물 형성은 플라즈마 오염을 최소화하여 핵융합 반응의 순도를 높이는 데 기여한다. 프랑스에 건설 중인 ITER 실험로는 핵융합 에너지의 실현 가능성을 검증하는 국제 핵융합 연구의 중심 무대이다. 텅스텐 다이버터를 사용하는 ITER 실험로는 내년 첫 플라즈마 생성을 목표로 하고 있다. KSTAR의 이번 성과는 ITER 실험로의 성공적인 운영에 중요한 데이터를 제공할 것으로 기대된다. 한국핵융합연구소 소장은 이번 성과가 미래 핵융합 발전 시설 개발에 필요한 핵심 기술 확보에 중요한 발걸음이라고 강조했다. 연구팀은 앞으로 ITER 운영 및 미래 핵융합 발전 시설에 필수적인 핵심 기술 확보에 집중할 계획이다. 연구팀은 '토카막'이라 불리는 도넛 모양의 핵융합로 안에 뜨거운 플라즈마를 가두어 물을 가열하고 터빈과 발전기를 사용하여 생성된 증기를 전기로 전환함으로써 반응에서 순 양의 에너지를 획득할 수 있기를 희망한다. 토카막 융합로의 다양한 성과 한편, 전 세계 다른 토카막 핵융합로 또한 최근 몇 년 동안 중대한 성과를 거두었다. 지난해에는 중국 과학자들이 실험용 첨단 초전도 토카막 내부에 플라즈마를 403초 동안 유지하는 데 성공했다. 또한 영국은 JET(Joint European Torus) 장치를 사용해 핵융합 에너지 세계 기록을 수립했다. 뉴사이언티스트에 따르면 단 5초 동안이지만 약 1만 2000가구에 전력을 공급할 수 있는 69메가줄의 에너지를 생산했다. 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소는 재래형 토카막 설계와는 크게 다른 레이저 기반 핵융합로인 내셔널 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility)에서 투입한 에너지의 두 배를 얻었다고 주장했다. 하지만 이러한 모든 연구 결과가 핵분열 원자로를 완전히 대체할 수 있는 핵융합 에너지 혁명으로 이어질지 여부는 아직 불확실하다. 위에서 언급한 것처럼 프랑스 남부 생폴레즈듀랑스 카다라쉬에 다국적 거대 핵융합 연구 시설 'ITER(국제핵융합실험로·International Thermonuclear Experimental Reactor)'가 건설되고 있다. ITER 총 사업 기간은 2007~2042년으로 건설과 운영, 방사능감쇄, 해체 등 4단계를 포함한다. 총건설비는 약 117.7억유 한국을 비롯해 중국, 인도, 일본, 유럽연합(EU·29개국) 등 35개국이 참여하는 이 프로젝트는 핵융합 에너지 상용화의 가능성을 판단하는 중요한 단계이며, 현재까지 건설된 토카막 핵융합로 중 가장 큰 규모를 자랑한다. 2007년 설립된 ITER는 2025년 완공 예정이다. 현재 우리가 사용하는 화석 연료 대신 안전하고 지속 가능한 에너지원 개발 가능성을 가진 ITER는 완공 후 핵융합 실험을 통해 핵융합 에너지의 실현 가능성을 평가할 계획이다. 프랑스의 ITER 시설이 완공되면 인공태양으로 불리는 핵융합에너지에 대한 실용성과 타당성 등에 대한 중요한 답변을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-04-04
[퓨처 Eyes(26)] 소형 원자로 건설 혁명, 획기적인 전자빔 용접으로 1년 공정 하루로 단축

소형 모듈 원자로(SMR) 건설에서 1년 걸리는 공정을 하루 만에 끝낼 수 있는 획기적인 전자빔 용접 기술이 개발됐다. 영국 대형 제조회사 셰필드 포지마스터스(Sheffield Forgemasters)는 풀사이즈 소형 모듈형 원자로(SMR) 용기를 일반적인 공정 기간인 12개월이 아닌 단 24시간 만에 용접에 성공하면서 소형 원자로 건설 시장이 급변하고 있다. 이 획기적인 기술은 소형 원자로 보급에 엄청난 파급력을 가져올 것으로 예상된다. 소형 원자로(Small Modular Reactor, SMR·소형 모듈 원전)는 그 이름처럼 작은 크기의 원자로를 의미하며, 경제성, 유연성, 안전성, 확장성 등의 장점을 지닌다. 특히, 최근 급격한 기후 변화의 위협으로 탄소 배출을 최소화하는 에너지원에 대한 수요가 급증하면서 미래의 주요 전력 공급 수단으로 주목받고 있다. 소형 원자로는 기존 대규모 토목 프로젝트 형태의 원자력 발전소 건설 방식을 공장 생산 방식으로 전환해 원자력 산업에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 모듈형 원자로는 표준화된 설계로 대량 생산이 가능하며, 지역 수요에 맞게 필요한 수만큼 설치할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 기존 원자로와 달리 엄청나게 비싼 건물이 필요하지 않아 경제성이 높다. 소형 원자로는 원자력 연료 재사용 기술을 통해 연료 수명을 연장하고 방사성 폐기물 발생량을 감소시킨다. 이는 지속 가능한 에너지 공급을 위한 중요한 기술로 평가된다. 또한, 초기 투자 비용이 상대적으로 적기 때문에 소규모 전력 시장과 개발도상국에서도 원자력 발전 도입이 용이해진다. 소형 원자로는 크기와 디자인의 유연성을 바탕으로 외딴 지역, 도시 인근, 심지어 산업 시설 내부에도 설치가 가능하다. 대부분의 부품은 공장에서 사전 제작되어 현장 설치 과정을 빠르고 효율적으로 진행할 수 있다. 필요에 따라 여러 개의 소형 원자로를 한 지역에 설치해 발전 용량을 조절할 수 있어, 전력 수요 변동에 유연하게 대응하고 안정적인 전력 공급을 가능하게 한다. 소형 원자로는 앞서 언급된 장점들로 인해 투자자들에게 상업적으로 매력적인 대안으로 떠오르고 있다. 특히, 전통적인 대형 원자로에 비해 빠른 수익 회수가 가능하다는 점에서 투자 가치가 높게 평가된다. 혁신적인 국소 전자빔 용접(LEBW) 기술 모든 규모의 원자로 건설에서 발생하는 주요 과제는 원자로 노심을 담는 용기를 용접하여 외부 환경과 격리하는 것이다. 기존 용접 기술은 이 작업에 1년 이상 소요되었지만, 셰필드 포지마스터스는 국소 전자빔 용접(LEBW) 기술을 통해 하루 만에 완료하는 획기적인 결과를 달성했다. 국소 전자빔 용접은 국소 진공 상태에서 고출력 전자총을 사용해 고에너지 밀도 융합 공정을 통해 두 개의 금속 조각을 용접하는 혁신적인 기술이다. 기존 용접 방식에 비해 작업 효율을 95% 향상시키고, 깊은 침투와 높은 깊이 대 너비 비율을 구현할 수 있다. 셰필드 포지마스터스는 지난 2월 20일 국소 전자빔 용접 기술을 이용해 직경 3미터, 두께 200밀리미터(8인치)의 벽을 결함 없이 저렴하게 용접하는데 성공했다고 밝혔다. 또한, 혁신적인 슬로핑 인 및 아웃 기술을 통해 용접 시작과 마무리 과정을 개선했다. '슬로핑 인(Sloping In)'은 원자로 용기 내부의 핵연료봉을 용기 벽면에서 중심부로 향해 경사지게 배치하는 방식이다. 핵연료봉 간 간격을 넓히고 중심부 밀도를 높여 핵연료 활용도를 극대화하고, 냉각재 흐름 개선으로 냉각 효율을 높여 과열 위험을 낮춘다. 핵출력 증가 또한 가능하다. '슬로핑 아웃(Sloping Out)'은 '슬로핑 인'과 반대로 핵연료봉을 배치하는 방식이다. 핵연료봉 간 간격 확대로 냉각 효율을 높이고 핵연료봉 밀도 감소로 핵출력을 조절하여 안전성을 강화한다. 또한, 용기 내부 공간 확보에도 유리하다. 셰필드 포지마스터스의 수석 개발 엔지니어이자 프로젝트 책임자인 마이클 블랙모어는 "이 기술이 원자력 산업에 미치는 영향은 기념비적이며, 잠재적으로 고비용의 용접 공정을 없앨 수 있다"고 강조했다. 블랙모어는 "LEBW 기술은 용접 접합부가 모재(parent material, 원물질)를 완벽하게 복제하기 때문에 용접 검사의 필요성을 줄일 수 있다는 점에서 획기적이다. 또한 영국과 전 세계 SMR 원자로의 상용화 속도를 크게 높일 수 있다"고 설명했다. 세계 최초로 성공적인 전자빔 용접 시연을 완료한 셰필드 포지마스터스는 수십 년 동안 정체되었던 영국 원자력 산업에 새로운 활력을 불어넣을 것으로 기대된다. 이 기술은 앞으로 핵잠수함용 원자로, 시범 발전소, 핵연료 처리 분야뿐만 아니라 SMR 원자로 건설에도 적용될 수 있다. 영국 정부는 이제 롤스로이스가 건설할 모듈형 원자로 15기를 포함한 새로운 원전 건설 계획을 통해 원자력 르네상스를 이끌 계획이다. 셰필드 포지마스터스의 혁신적인 전자빔 용접 기술은 이러한 계획의 성공적인 실행에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 한국 소형원자로 건설 현황 원전 강국인 한국도 세계적인 추세인 소형 모듈 원전 건설을 주도하고 있다. 우리나라 원전 산업의 중심지인 경상남도는 지난 2월 28일 정부의 원전 산업 집중 육성 방침에 발맞춰 핵심 전략을 담은 '경상남도 원전 산업 육성 방안'을 발표했다. 이에 앞서 2월 22일 윤석열 대통령은 경남도청에서 열린 '다시 뛰는 원전산업, 활력 넘치는 창원·경남'이라는 주제의 14번째 민생토론회에 참석했다. 이 자리에서 정부는 원전 생태계 완전 복원, 소형 모듈 원자로(SMR) 독자기술 개발, 경남도·창원시를 글로벌 SMR 클러스터로 육성한다는 구체적인 계획을 공개했다. 경상남도는 정부의 정책 방향에 적극적으로 호응하며, 정부 지원과 별도로 지역 원전 기업에 대한 경영 및 시설 자금 중심의 금융 지원을 강화하겠다는 방침을 밝혔다. 이는 지역 원전 산업의 경쟁력 강화와 지속가능한 성장을 위한 중요한 발걸음이 될 것이다. 경상남도는 SMR 제조 기술, 신형로 설계, 친환경 원전 해체 기술 등 6개 원전 기술을 조세 특례 제한법에 명시된 '국가 전략 기술'로 지정해 달라고 정부에 건의할 예정이다. 또한 경상남도는 SMR 혁신 제작 기술 정부 공모 사업에 지역 업체 참여를 추진하는 등 SMR 독자 기술 확보를 위해 적극적인 노력을 기울일 계획이다. 이를 통해 지역 기업의 경쟁력 강화와 SMR 산업 발전을 동시에 도모할 수 있을 것으로 보인다. 아울러 경상남도는 창원 방위·원자력 융합 국가 산업 단지 조속 추진, 원자력 산업 종합 지원 센터 신설, 원자력 연구원 분원 및 글로벌 SMR R&D 센터 유치 등을 통해 글로벌 SMR 클러스터로 발돋움할 수 있는 구체적인 청사진을 제시했다. 경상남도는 창원시를 중심으로 세계 유일하게 원자력 발전소 주기기 일괄 생산이 가능한 창원 국가 산업 단지 내 두산 에너빌리티를 비롯해 300여 개 협력 업체가 자리잡고 있다. 원자력 발전소 주기기는 원자로, 증기발생기, 터빈, 발전기, 냉각 시스템 등 원자력 발전의 핵심 과정에서 주요한 역할을 하는 장치들을 말한다. 걍상남도는 이러한 유리한 조건을 바탕으로 차세대 원전의 글로벌 제조 거점으로 도약할 수 있는 잠재력을 갖추고 있다. 류명현 경남도 산업국장은 "대통령이 참석한 경남 민생 토론회의 핵심은 경남도·창원을 글로벌 SMR 클러스터로 육성한다는 것이었다"며 "정부 정책에 맞춰 경남이 차세대 원전 글로벌 제조 거점이 되도록 노력하겠다"라고 밝혔다.
- 포커스온
2024-03-07
한수원, 미국 센트루스와 원전연료 공급 협력 강화

한국수력원자력(이하 한수원)이 미국 핵 연료 공급업체와 손잡고 원전 연료 공급 다각화에 나섰다. 한수원은 26일(현지시간) 미국 워싱턴 D.C.에서 핵연료 공급업체 센트루스(Centrus Energy Corp.)와 안정적인 원전 연료 공급을 위한 협력 의향서(LOI)를 체결했다고 발표했다. 이번 협력의향서에는 원자력 사업에서의 협력 체계 구축과 양사의 구체적인 사업 목표가 포함되어 있다. 원자력 사업 협력체계 구축을 위한 양사의 구체적 사업 목표가 담겼다. 한수원은 이 의향서 체결을 통해 농축 우라늄 공급처를 다양화함으로써 원전 연료의 수급 안정성을 강화할 것으로 기대하고 있다. 센트루스는 미국 원자력안전위원회(NRC)로부터 차세대 원전과 소형모듈원자로(SMR) 등 연료로 사용되는 고순도저농축우라늄(HALEU) 생산 허가를 받은 유일한 기업이다. 센트루스는 미국 및 전 세계 원자력 발전소에 안정적인 핵연료 공급을 목표로 하며, 고객에게 핵연료 사이클의 여러 단계에 걸친 서비스를 제공한다. 주요 사업 영역은 저농축 우라늄의 생산, 판매 및 핵연료의 물리적, 기술적 관리를 포함한다. 이 회사는 고순도저농축우라늄(HALEU) 생산에 특히 주목을 받고 있다. HALEU는 현재 및 미래의 고급 원자로 기술, 특히 소형모듈원자로(SMR) 및 기타 첨단 원자로 설계에 필요한 핵연료다. 이러한 우라늄은 기존의 저농축 우라늄보다 높은 농축도를 가지며, 원자로의 효율을 향상시키고 연료 교체 주기를 연장할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 소형모듈원자로(Small Modular Reactor, SMR)는 전통적인 대형 원자력 발전소에 비해 규모가 작은 원자력 발전 시스템으로 미래 전력으로 주목받고 있다. 이러한 SMR은 일반적으로 300MW(메가와트) 이하의 전기를 생산한다. 반면, 전통적인 원자력 발전소는 생산할 수 있는 수천 메가와트를 생산할 수 있다. SMR의 주요 장점은 비교적 낮은 초기 자본 비용과 접근성 그리고 안전성 향상 등을 들 수 있다. 고순도 저농축 우라늄(High-Assay Low-Enriched Uranium, HALEU)은 우라늄-235의 농도가 전통적인 저농축 우라늄(LEU)보다 높지만 고농축 우라늄(HEU)보다는 낮은 형태의 우라늄이다. HALEU는 우라늄-235의 농도가 대략 5%에서 20% 사이인 우라늄을 말한다. 이에 비해, 전통적인 원자력 발전소에서 사용되는 저농축 우라늄은 우라늄-235의 농도가 약 3%에서 5% 사이다. HALEU의 주요 도전 과제 중 하나는 생산과 공급이다. 현재 HALEU의 상업적 규모 생산은 제한적이며, 많은 국가들이 이러한 고급 핵연료의 생산과 공급을 확대하기 위한 노력을 기울이고 있다. HALEU는 핵에너지 산업의 미래에 있어 지속 가능하고 탄소 배출이 낮은 에너지 솔루션을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 황주호 한수원 사장은 "이번 협력의향서 체결을 계기로 안정적 원전 연료 공급에 대한 구체적 논의를 시작하겠다"며 "앞으로 원전 연료 공급망 협력 사업을 확대하고, 사업 협력 분야를 지속적으로 탐색하며 발전시켜 나갈 계획"이라고 말했다.
- 산업
2024-02-27
체코 신규원전 입찰, 한수원· 프랑스 2파전

체코 정부가 추진 중인 신규 원전 사업 입찰이 한국과 프랑스의 양국 기업 간 대결 구도로 정리됐다. 이번 경쟁에서 한국수력원자력과 프랑스의 EDF만이 남게 되며, 미국의 원전 기업 웨스팅하우스는 입찰 과정에서 탈락한 것으로 확인됐다. 지난달 31일(현지시간) 로이터·AP·AFP 통신에 따르면 체코 정부는 체코 정부는 신규 원전 사업의 원자로 수를 당초 계획했던 1기에서 4기로 확대하겠다고 발표했으며, 이에 따라 한국수력원자력과 프랑스 전력공사(EDF)에 입찰 참여를 요청했다. 한국에게는 이번 발표가 원전 사업 수주의 긍정적 신호로 받아들여지고 있다. 체코 정부는 원래 한수원, EDF, 그리고 웨스팅하우스 3곳이 입찰에 참여한 가운데, 웨스팅하우스는 체코 정부의 입찰 조건을 충족시키지 못해 최종적으로 경쟁에서 배제됐다고 밝혔다. AFP는 "체코 원자로 입찰에서 웨스팅하우스가 받은 모욕"이라는 제목의 기사를 통해 체코 정부가 신규 원전 프로젝트에 대해 법적 구속력 있는 입찰을 원했으나, 웨스팅하우스가 이러한 요건을 만족시키지 못한 것이 탈락의 주된 이유라고 분석했다. 체코의 요제프 시켈라 산업통상부 장관은 언론과의 만남에서 웨스팅하우스의 입찰 제안이 법적 구속력을 갖추지 못해 요구 조건을 충족시키지 못했다고 밝혔다. 그는 "체코 정부는 한국수력원자력(한수원) 및 프랑스 전력공사(EDF)와의 협력을 계속 이어갈 것"이라며 두 기업과의 작업을 우선시할 뜻을 명확히 했다. 이와 관련하여, 웨스팅하우스는 2022년 한수원의 독자적인 원전 수출을 저지하기 위해 미국 연방법원에 법적 조치를 취한 전례가 있다. 웨스팅하우스는 한수원이 폴란드와 체코로 수출하려는 한국형 원전이 미국의 원자력에너지법에 의해 규제되는 웨스팅하우스 기술을 사용했다고 주장하며, 미국 정부의 허가 없이는 해당 원전을 수출할 수 없도록 요청하는 소송을 제기했다. 그러나 법원은 웨스팅하우스가 소송을 제기할 적합한 주체가 아니라며 이를 기각했다. 그러자 웨스팅하우스는 "미국 연방법원의 판결은 수출통제 집행 권한이 미국 정부에 있다고 판결한 것에 불과하다"며 각하 판결에 대한 항소장을 작년 10월에 제출했다. 웨스팅하우스는 법원의 기각 결정에 대해 "미국 연방법원의 결정은 단지 수출통제의 집행 권한이 미국 정부에 있음을 확인한 것일 뿐"이라며, 기각 결정에 불복해 지난해 10월 항소장을 제출했다고 밝혔다. 이러한 법적 공방은 국제 원전 시장에서의 경쟁 구도와 각국의 기술 수출 관련 법적 요구 사항의 복잡성을 드러내는 사례로 평가되고 있다. 체코 정부는 당초 두코바니 지역에 1200메가와트(MW) 규모의 가압 경수로 원전 1기 건설을 계획했었다. 1200MW 규모의 발전기는 대규모 전력 생산 설비에 속하며, 큰 도시나 여러 도시들을 포함한 광역 지역의 전력 수요를 충당할 수 있는 상당히 큰 용량이다. 예를 들어, 1200MW의 발전 용량은 대략 100만 가구 이상에 전력을 공급할 수 있으며, 이는 가구당 평균 전력 소비량을 고려했을 때의 추정치이다. 이러한 규모의 발전기는 주로 대형 화력 발전소, 원자력 발전소, 혹은 대규모 수력 발전소에서 볼 수 있다. 원자력 발전소의 경우, 하나의 원자로가 1200MW 이상의 출력을 낼 수도 있으며, 이는 고출력으로 안정적인 기저(load) 전력을 공급하는 데 적합하다. 기저 전력은 전력망이 24시간 동안 안정적으로 작동하도록 지속적으로 공급되어야 하는 기본 전력을 의미한다. 1200MW 발전기가 있는 발전소는 고도의 기술과 안전 관리가 요구되며, 전력망에 대한 중요한 기여를 하는 핵심 설비로 간주된다. 체코가 계획하고 있는 1200MW 원자로 4기는 약 400만 가구에 전력을 공급할 수 있는 규모이다. 이날 페트르 피알라 체코 총리는 "입찰 과정을 통해 공급 업체를 선정한 뒤 추가 원자로 건설 여부를 결정하겠다"고 말했다. 피알라 총리는 "입찰 발표 이후 에너지 시장의 변화를 고려할 때, 단 1기의 신규 원자로로는 불충분하다"며 원자로 수 증가 필요성을 강조했다. 이에 따라 체코 정부는 원자로를 4기까지 늘릴 경우, 원자로당 건설 비용을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이러한 계획의 일환으로, 체코 정부는 한수원과 EDF에 오는 4월 15일까지 입찰 수정안을 제출할 것을 요청했다고 밝혔다. 이는 체코가 에너지 안보와 지속 가능한 발전을 위해 원전 건설을 중요한 전략으로 보고 있음을 시사한다. 앞서 한수원은 2022년 11월, 체코 두코바니에 계획된 신규 원전 건설 사업에 참여하기 위해 초기 입찰서를 제출한 이후, 작년 10월 최종 입찰서를 제출했다. 외신에 따르면 체코 정부는 오는 5월 말까지 입찰 평가를 완료하고 6월 중에는 원전 건설 프로젝트의 수행 업체를 선정할 예정이라고 밝혔다. 추가로 계획된 3기의 원자로 건설에 대한 결정은 그 이후에 이루어질 것으로 전망된다. 새로운 원전은 2036년 가동 개시를 목표로 하고 있다. 체코는 석탄 화력 발전소의 폐쇄 및 노후 발전소 교체 과정에서 증가하는 전력 수요를 충족시키는 동시에 탈화석연료 전환을 가속화하는 과제에 직면해 있다. 이러한 배경에서 체코 정부는 원자로 수를 기존 계획된 1기에서 4기로 확대할 계획을 발표했다. 요제프 시켈라 산업통상부 장관은 "2050년까지 우리의 전력 소비는 최대 66%까지 증가할 수 있으며, 이러한 증가분을 충당하기 위해 저탄소 에너지원인 원자력의 역할이 중요하다. 이를 위해서는 최소 1기 이상의 신규 원자로가 필요하다"고 강조했다.
- 산업
2024-02-01
[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대

미국 과학자들이 온-오프 스위치가 있는 획기적인 초전도체 발견해 에너지 소비 감소의 길을 열었다. 최근 사이테크데일리 보도에 따르면, 워싱턴 대학교와 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소의 물리학자들이 온-오프 스위치 기능을 갖춘 새로운 초전도체를 발견했다. 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질이다. 이 특징은 실제로는 매우 낮은 온도, 즉 절대 온도에 가까운 온도에서 유지되는데, 이를 초전도 상태라고 한다. 초전도체는 일반적으로 금속, 합금, 반도체 등 다양한 물질로 만들어질 수 있으며, 소수의 원자 또는 분자 구조에서 유래하는 특정한 전자-전자 상호작용이 초전도 상태를 유발한다. 따라서 초전도는 물질이 전류를 제로 저항으로 전달할 수 있는 양자역학적 상태로, 완벽한 전기 전송 효율을 가능하게 한다. 초전도체는 자기공명영상(MRI), 입자 가속기, 핵융합 반응로, 자기부상열차(마그레브 열차)와 같은 다양한 첨단 기술에서 강력한 전자석으로 활용된다. 또한, 초전도체는 양자 컴퓨팅 분야에서도 중요한 역할을 한다. 이 연구팀은 외부 자극에 반응하여 조절 가능한 독특한 특성을 지닌 초전도 물질을 개발, 에너지 효율적인 컴퓨팅과 양자 기술 발전에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다. 이러한 발견은 첨단 연구 기법을 활용하여 이루어졌으며, 초전도 특성을 미증유의 방식으로 제어할 수 있는 능력을 통해 다양한 산업 응용 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 해당 물질은 향후 산업용 전자제품에서 초전도 회로로의 응용 가능성을 지니고 있다. 연구팀은 고급 광자 소스를 사용해 이 물질의 희귀한 특성을 검증함으로써 효율적인 대규모 컴퓨팅을 위한 새로운 길을 열었다. 산업용 컴퓨팅에 대한 수요가 증가함에 따라, 이에 대응하는 하드웨어의 크기와 에너지 소비의 증가는 주요 과제로 남아 있다. 이러한 문제에 대한 해결책 중 하나로, 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 초전도 소재의 개발이 주목받고 있다. 거대한 데이터 센터를 운영하는 서버의 온도를 대폭 낮춤으로써, 에너지 효율성을 극대화하여 대규모 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 가능성을 제시했다. 초전도체란 무엇인가? 초전도체는 저항이 완전히 사라지는 특별한 물질을 말한다. 일반적인 전도체에서는 전기가 흐를 때 내부의 불순물이나 결정 구조 때문에 전자가 충돌하며 에너지를 손실하게 되는데, 이를 전기 저항이라고 한다. 이 저항으로 인해 전기 에너지가 열로 변환되어 손실된다. 그러나 초전도체는 특정 온도(임계 온도) 이하에서 전기 저항이 사라져 전기가 전혀 손실 없이 흐를 수 있게 한다. 초전도 현상은 1911년 헤이케 캄링 온네스에 의해 처음 발견되었으며, 이후 다양한 물질에서 초전도 현상이 관찰됐다. 초전도체는 그 특성으로 인해 많은 고급 기술과 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 초전도체를 이용하면 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있으며, 매우 강력한 자기장을 생성할 수 있어 자기공명영상(MRI) 장비나 입자 가속기, 초전도 자석 등에 활용된다. 초전도체를 만드는 데 필요한 임계 온도는 물질에 따라 다르며, 초기에 발견된 초전도체는 극저온에서만 초전도 현상을 보였다. 그러나 1986년에 발견된 고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타내 연구와 응용의 범위를 크게 확장시켰다. 고온 초전도체의 발견 이후, 상온에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 오늘날의 전자제품은 반도체 트랜지스터를 사용하여 전류를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 정보 처리에 사용되는 2진법과 0진법을 생성한다. 이러한 전류는 전기 저항이 유한한 물질을 통과해야 하므로 에너지의 일부가 열로 낭비된다. 이것이 바로 시간이 지남에 따라 컴퓨터가 뜨거워지는 이유다. 초전도에 필요한 낮은 온도(보통 화씨 영하 200도 이상)로 인해 이러한 소재는 휴대용 장치에 사용하기에는 실용적이지 않다. 하지만 산업적 규모에서는 유용할 수 있다. 워싱턴 대학교의 슈아 산체스가 이끄는 연구팀은 뛰어난 조정 능력을 가진 특이한 초전도 물질을 조사했다. 이 결정은 철, 코발트, 비소 원자로 이루어진 초전도 층 사이에 강자성 유로피움 원자가 평평한 시트를 끼워 만든 결정이다. 산체스에 따르면 자연에서 강자성과 초전도를 함께 발견하는 것은 극히 드문 일이며, 일반적으로 한 단계가 다른 단계를 압도하기 때문이다. 산체스는 "초전도 층이 주변 유로피움 원자의 자기장에 의해 뚫리기 때문에 실제로는 매우 불편한 상황"이라며 "이것은 초전도를 약화시키고 전기 저항을 유한하게 만든다"고 말했다. 초전도 기술의 도전과 혁신 산체스는 아르곤에 있는 DOE 과학부 사용자 시설인 미국 최고의 X-선 광원 중 하나인 APS(Advanced Photon Source)에서 1년간 레지던트로 근무했다. 그곳에서 그는 DOE의 과학 대학원생 연구 프로그램의 지원을 받았다. 산체스는 APS 빔라인 4-ID 및 6-ID의 물리학자들과 협력하여 복잡한 물질의 미세한 세부 사항을 조사할 수 있는 포괄적인 특성화 플랫폼을 개발했다. 산체스와 공동 연구자들은 X-선 기술을 조합해 결정에 자기장을 가하면 '유로피움 자기장 선(europium magnetic field line)'이 초전도 층과 평행하도록 방향을 바꿀 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 이렇게 하면 길항 효과가 제거되고 저항이 0인 상태가 나타난다. 과학자들은 전기적 측정과 X-선 산란 기술을 사용하여 물질의 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 논문의 공동 저자인 아르곤의 필립 라이언은 "초전도를 제어하는 독립적인 파라미터의 특성은 이 효과를 제어하는 완전한 방법을 계획할 수 있다는 점에서 매우 매력적"라고 말했다. 라이언은 "이 잠재력은 양자 장치의 전계 감도를 조절할 수 있는 능력을 포함하여 몇 가지 흥미로운 아이디어를 제시한다"고 설명했다. 그런 다음 연구팀은 결정에 응력을 가하여 흥미로운 결과를 얻었다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꾸지 않고도 자성을 극복할 수 있을 정도로 초전도가 증가하거나 자기장의 방향을 바꾸어도 더 이상 제로 저항 상태를 만들 수 없을 정도로 약화될 수 있음을 발견했다. 이 추가 매개변수를 통해 자성에 대한 소재의 민감도를 제어하고 맞춤 설정할 수 있다. 산체스는 "이 물질은 여러 위상 간의 경쟁이 치열하고, 작은 응력이나 자기장을 가하면 한 위상을 다른 위상보다 높여서 초전도를 켜고 끌 수 있기 때문에 흥미롭다"고 말했다. 그는 "대부분의 초전도체는 쉽게 전환할 수 없다"고 강조했다. '전기의 고속도로' 초전도체 전기가 물을 통과하는 것처럼, 초전도체는 전기가 저항 없이 흐르도록 하는 '전기의 고속도로'라고 비유할 수 있다. 마찰 없이 움직이는 완벽한 롤러 스케이트처럼, 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달한다. 초전도체의 주요 특징은 다음과 같다. 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 손실 없이 흐를 수 있다. 또한 초전도체는 외부 자기장을 완전히 배척하는 마이스너 효과를 나타내며, 외부 자기장에 반대되는 방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띠고 있다. 앞으로 활용 분야가 다양한 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전기를 손실 없이 먼 거리까지 효율적으로 송전하는 데 사용될 수 있다. 초전도체를 활용한 MRI 기계는 강력한 자기장을 생성하여 인체 내부를 상세히 이미징할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한, 초전도체를 사용한 마그레브 열차는 마찰이 없어 고속으로 운행될 수 있는 가능성을 제시한다. 마그레브 열차는 자기 부상 기술을 사용하여 레일과 접촉 없이 운행하는 열차다. '마그레브(Maglev)'는 '자기부상(Magnetic Levitation)'의 줄임말로, 강력한 자석을 사용하여 열차를 공중에 띄워 마찰을 거의 없애고 이동한다. 이 기술 덕분에 마그레브 열차는 기존의 바퀴를 사용하는 철도 시스템보다 훨씬 더 높은 속도로 운행할 수 있으며, 소음과 진동이 현저히 줄어들어 매우 부드럽고 조용한 탑승 경험을 제공한다. 마그레브 열차는 전기를 사용하여 강력한 전자기장을 생성하고, 이 전자기장이 열차를 들어 올리고, 추진하며, 안내하는 데 사용된다. 세계 여러 나라에서 이 기술을 연구하고 개발해 왔으며, 중국의 상하이 마그레브 열차와 일본의 초고속 마그레브 열차 시스템 등이 실제 운영되고 있는 대표적인 예다. 상하이 마그레브는 공항과 도심을 연결하는 노선으로 사용되며, 시속 430km에 달하는 속도로 운행된다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 초전도체가 초전도 비트(큐비트·qubit)의 생성에 필수적인 역할을 한다. 큐비트 또는 퀀텀 비트는 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위로 0이나 1 뿐만 아니라 0과 1 어느 쪽도 확정 지을수 없는 상태까지 표현가능하다. 비록 초전도체 기술이 개발 초기 단계에 있지만, 이 기술은 미래 사회에 중대한 변화를 가져올 수 있는 높은 잠재력을 지니고 있다. 참조: '스트레인 전환 가능한 전계 유도 초전도' 작성자: Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, 최용성, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, 김종우, 주준호 및 Philip J. Ryan, 2023년 11월 24일, 사이언스 어드밴시스. DOI: 10.1126/sciadv.adj5200
- 포커스온
2024-02-01
중앙대, 그린수소 생산 혁명 루테늄 촉매 개발

수소경제 시대를 앞두고 친환경적인 수소 생산 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 이 가운데 최근 중앙대학교 첨단재료공학과 연구팀이 차세대 수소 전극 촉매로 주목받는 루테늄 촉매의 성능을 획기적으로 향상시킨 연구 결과를 발표했다. 미국 과학 전문 매체 사이테크데일리(SciTechDaily)는 중앙대학교 첨단재료공학과 장해성 교수 연구팀이 아연으로 도핑한 루테늄 산화물(SA Zn-RuO2) 촉매를 개발했다고 지난 21일(현지시간) 자세히 소개했다. 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 안정성과 반응성이 향상된 것이다. 수소는 화석연료 대체 에너지원으로 각광받고 있지만, 현재까지 주로 천연가스 개질을 통해 생산되는 '회색 수소'는 환경오염 문제를 해결하지 못하고 있다. 반면, 물과 전기를 이용하여 생산되는 '녹색 수소'는 온실가스 배출 없이 순수한 수소를 확보할 수 있는 친환경 에너지원으로 각국 정부와 기업들의 핵심 투자 분야로 떠오르고 있다. 하지만 현재 녹색 수소 생산 기술은 아직 초기 단계에 머물러 있다. 가장 큰 걸림돌은 산성 전해수를 이용하는 '양극 산화반응(OER)' 촉매의 효율성과 안정성이 부족하기 때문이다. 이 때문에 경제적인 녹색 수소 생산량을 늘리기 어려운 상황이다. 루테늄 촉매로 획기적인 성능 향상 연구팀은 기존 상용 루테늄 촉매에 아연(Zn) 원자를 도핑하는 기술을 개발하여 기존 촉매에 비해 훨씬 높은 반응성과 안정성을 확보했다. 기존 루테늄 촉매는 전류밀도를 높이면 빠르게 성능이 저하되는 반면, 연구팀이 개발한 촉매는 높은 전류밀도에서도 지속적으로 안정적인 수소 생산을 가능하게 한다. 뿐만 아니라, 이 신소재 촉매는 이리듐(Ir)과 같은 귀금속 대신 상대적으로 저렴한 루테늄을 사용함으로써 녹색 수소 생산 비용을 크게 낮출 수 있는 장점도 지니고 있다. 결과적으로 연구팀의 성과는 녹색 수소 경제 실현에 한 걸음 더 다가선 중요한 결과라 할 수 있다. 차세대 전극 촉매의 길을 여는 돌파구 연구팀은 이번 연구 결과를 바탕으로 더욱 효율적이고 안정적인 차세대 촉매 개발에 힘을 쏟을 계획이다. 이를 통해 친환경 수소 생산 기술 발전을 촉진하고 우리나라 수소경제 선두 국가 진출에 밑바탕을 마련할 것으로 기대된다. 연구팀은 기존 루테늄(RuO2) 촉매에 단일 아연(Zn) 원자를 도핑하고 산소 공백을 도입하는 이중 기술을 개발하여 안정성과 활성을 동시에 높이는 데 성공했다. 'SA Zn-RuO2(단일 아연 도핑 루테늄 산화물)' 촉매라고 명명한 신소재는 산소 공백과 Zn-O-Ru(아연 산소 루테늄) 결합을 통해 기존 촉매의 한계를 효과적으로 극복했다. SA Zn-RuO2 촉매는 유기 골격 구조물을 루테늄과 아연 원자로 가열하여 합성하는데, 이 과정에서 산소 공백과 Zn-O-Ru 결합이 형성된다. 이러한 결합은 두 가지 방식으로 촉매를 안정화한다. 첫째, Ru-O 결합을 강화하여 촉매 구조를 지탱한다. 루테늄-산소 결함은 촉매의 구조적 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 루테늄-산소 결합이 강하면 촉매가 쉽게 분해되는 것을 방지할 수 있다. 둘째, 아연 원자로부터 전자를 공급하여 산화 과정에서 루테늄의 과도한 산화를 막는다. 또한 향상된 전자 환경은 반응 물질이 촉매 표면에 흡착하는 데 필요한 에너지를 낮춰 반응 속도를 증진시킨다. 장 교수는 연구 배경에 대해 "산성 전해수를 이용하는 수소 생산 기술에서 효율적이고 저렴한 대체 촉매 개발 필요성에 따라 연구를 시작했다"고 밝혔다. 그는 "이번 연구를 통해 단일 아연 도핑과 산소 공백 도입이라는 이중 기술을 통해 산성 환경에서 안정성과 활성을 균형 있게 높이는 전략을 제안한다"고 덧붙였다. 수소 생산 비용 절감 장 교수 연구팀의 실험 결과 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 과전위가 57mV 낮고, 43시간 동안 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다. 과전위는 촉매가 반응을 일으키는 데 필요한 전기 에너지의 양으로, 과전위가 낮을수록 효율이 높아진다. 즉, 아연 도핑 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 더 적은 에너지를 사용하여 수소를 생산할 수 있다는 의미이다. 또한, 아연 도핑 루테늄 산화물 촉매는 43시간 동안 안정적으로 작동하는 것으로 나타났는데, 이는 기존 루테늄 산화물 촉매의 수명에 비해 크게 향상된 것이다. 연구팀은 "아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 비용 효율적이고 활성 및 내산성 전기 촉매의 개발에 영향을 미칠 가능성이 있다"며 "이는 수소 생산 비용을 절감하고 녹색 수소 생산을 향상시켜 청정 에너지원으로의 전환과 지속 가능한 기술의 발전에 도움이 될 것"이라고 기대했다. 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매의 개발은 지속 가능한 수소 생산에 새로운 돌파구를 마련했다는 평가를 받고 있다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 안정성 문제가 있어 실용화 가능성이 낮다는 지적을 받아왔다. 하지만 이번에 개발된 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 안정성과 반응성이 모두 향상돼 상용화에 한 걸음 더 가까워졌다. 연구팀은 "향후 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매의 성능을 개선하고 대량 생산 기술을 개발해 실용화를 앞당길 계획"이라고 밝혔다. 이 연구는 지난 1월 '에너지 화학 저널(Journal of Energy Chemistry)' 88권에 발표됐다.
- 산업
2024-01-26
용융염 원자로, 안전하고 경제적인 차세대 에너지 솔루션

탄소 배출을 줄이기 위한 친환경 에너지원에 대한 세계적인 관심이 높아지고 있다. 이와 관련하여 비스니스 인사이더(BUSINESS INSIDER)는 미국이 기존의 원자로와는 다른 새로운 유형인 용융염 원자로 건설을 허가 했다고 보도했다. 이 용융염 원자로는 전통적인 원자로와 달리, 고온으로 녹인 액체 소금을 냉각재로 사용한다. 일반적인 원자로가 물을 이용하여 증기압으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 반면, 이 새로운 원자로는 물이 아닌 액체 소금을 사용함으로써 물의 증발 위험이 없다. 액체 소금의 끓는점이 약 1500도로 매우 높아, 원자로에 사고가 발생하더라도 냉각재의 증발로 인한 노심의 용융 가능성이 크게 낮아진다. 용융염 원자로의 독특한 점은 연료봉 대신 액체 핵연료를 사용한다는 것이다. 이 액체 핵연료는 매우 소형화되어 있어, 원자로를 더 작은 크기로 설계할 수 있으며, 연료 교체 시 원전의 가동을 멈출 필요가 없다. 이 특성 덕분에 용융염 원자로는 기존 원자로보다 크기가 작고 건설이 용이하며, 선박이나 외딴 지역과 같은 전력망이 부족한 곳에도 적합하다. 미국 원자력규제위원회(Nuclear Regulatory Commission, NRC)는 최근 미국 카이로스파워(Kairos Power)의 용융염 원자로 건설 프로젝트에 대해 승인했다. 카이로스파워는 2027년까지 테네시주 오크리지에 '에르메스(Hermes)'라 명명된 시험용 원자로를 건설할 계획이다. 이 프로젝트의 초기 버전은 전기를 생산하지 않겠지만, 그 후속 모델인 '헤르메스 2'는 2028년부터 전력 생산을 시작할 것으로 예상된다. 용융염 원자로는 1950년대부터 연구되었지만, 안전 문제와 재료의 부식 문제 등으로 인해 상용화에는 어려움을 겪어왔다. 그러나 최근의 기술 발전으로 이러한 문제들이 해결되면서, 용융염 원자로는 안전성과 경제성 측면에서 크게 개선되어 새롭게 주목받고 있다. 용융염 원자로 기술은 미국에서뿐만 아니라 중국, 영국 등 여러 국가에서도 적극적인 개발이 진행 중이다. 한국의 용융염 원자로 개발 2023년부터 한국 정부는 용융염 원자로 개발을 국가 연구개발 프로젝트로 지정하고 지원하고 있다. 이 프로젝트는 2026년까지 핵심 기술 개발을 목표로 하며, 인증 과정을 거쳐 2030년대에 해양용 원자로 첫 번째 모델의 건설을 목표로 하고 있다. 한국원자력연구원은 이 분야에서 민간 기업들과 협력하여 해양플랜트 및 선박 추진 시스템에 적용될 용융염 원자로 개발에 집중하고 있다. 우리나라의 용융염 원자로 개발은 아직 초기 단계에 있지만, 정부의 적극적인 지원과 민간 기업의 참여로 순조롭게 진행되고 있다. 우리나라가 용융염 원자로 개발에 성공한다면, 세계 최초로 해양용 원자로를 상용화하는 국가가 될 것으로 기대된다. 용융염 원자로가 상용화될 경우 기존의 원자로보다 안전하고 경제적인 방식으로 전력을 생산할 수 있는 가능성을 제시할 것이다.
- 산업
2023-12-31