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AI로 방사성 오염 '아이오딘' 제거용 최적 신소재 발굴
원자력 에너지 활용에 있어 방사성 폐기물 관리는 핵심적인 과제 중 하나다. 특히 방사성 ‘아이오딘(요오드)’는 반감기가 길고(I-129의 경우 1,570만 년), 이동성 및 생체 유독성이 높아 환경 및 인체에 심각한 위험을 초래할 수 있다. 한국 연구진이 인공지능을 활용해 아이오딘을 제거할 원자력 환경 정화용 신소재 발굴에 성공했다. 연구팀은 향후 방사성 오염 흡착용 분말부터 오염수 처리 필터까지 다양한 산학협력을 통해 상용화를 추진할 예정이다.
우리 대학 원자력및양자공학과 류호진 교수 연구팀이 한국화학연구원 디지털화학연구센터 노주환 박사가 협력하여, 인공지능을 활용해 방사성 오염 물질이 될 수 있는 아이오딘을 효과적으로 제거하는 신소재를 발굴하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
최근 보고에 따르면 방사능 오염 물질인 아이오딘이 수용액 환경에서 아이오딘산염(IO3-) 형태로 존재하는 것으로 밝혀졌으나, 기존의 은 기반 흡착제는 이에 대해 낮은 화학적 흡착력을 가져 비효율적이었다. 따라서 아이오딘산염을 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 흡착제 신소재 개발이 시급한 실정이다.
류호진 교수 연구팀은 기계학습을 활용한 실험 전략을 통해 다양한 금속원소를 함유한 ‘이중층 수산화물(Layered Double Hydroxide, 이하 LDH)’이라는 화합물 중 최적의 아이오딘산염 흡착제를 발굴했다.
이번 연구에서 개발된 구리-크롬-철-알루미늄 기반의 다중금속 이중층 수산화물 Cu3(CrFeAl)은 아이오딘산염에 대해 90% 이상의 뛰어난 흡착 성능을 보였다. 이는 기존의 시행착오 실험 방식으로는 탐색이 어려운 방대한 물질 조성 공간을 인공지능 기반의 능동학습법을 통해 효율적으로 탐색해 얻어낸 성과다.
연구팀은 이중층 수산화물(이하 LDH)이 고엔트로피 재료와 같이 다양한 금속 조성을 가질 수 있고 음이온 흡착에 유리한 구조를 지녔다는 점에 주목했다. 그러나 다중금속 LDH의 경우 가능한 금속 조합이 너무 많아 기존의 실험 방식으로는 최적의 조합을 찾기 어려웠다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 인공지능(기계학습)을 도입했다. 초기 24개의 2원계 및 96개의 3원계 LDH 실험 데이터로 학습을 시작해, 4원계 및 5원계 후보 물질로 탐색을 확장했다. 이 결과 전체 후보 물질 중 단 16%에 대해서만 실험을 수행하고도 아이오딘산염 제거에 최적인 신소재 물질을 찾아낼 수 있었다.
류호진 교수는 “인공지능을 활용하면 방대한 신소재 후보 물질 군에서 방사성 오염 제거용 물질을 효율적으로 찾아낼 가능성을 보여, 원자력 환경 정화용 신소재 개발에 필요한 연구를 가속화하는데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
류 교수 연구팀은 개발된 분말 기술에 대한 국내 특허를 출원했으며 이를 기반으로 해외 특허 출원을 진행 중이다. 연구팀은 향후 방사성 오염 흡착용 분말의 다양한 사용 환경에서의 성능을 고도화하고, 오염수 처리 필터 개발 분야에서 산학 협력을 통한 상용화 방안을 추진할 예정이다.
우리 대학 신소재공학과를 졸업한 이수정 박사와 한국화학연구원 디지털화학연구센터 노주환 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 이번 연구 결과는 환경 분야 국제 저명 학술지인 ‘위험물질 저널(Journal of Hazardous Materials)'에 5월 26일 온라인 게재됐다.
※논문명: Discovery of multi-metal-layered double hydroxides for decontamination of iodate by machine learning-assisted experiments
※DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138735
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 원자력기초연구지원사업과 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
2025.07.02 조회수 263 -
류호진 교수, 방사성 요오드 처분 신소재 기술 개발
우리 대학 원자력및양자공학과 류호진 교수 연구팀이 초장수명의 방사성 요오드를 안정적으로 저장하고 처분할 수 있는 신소재 기술을 개발했다.
연구팀의 기술은 세라믹 소재의 저온 소결 신기술을 이용한 것으로, 방사성 요오드-129처럼 반감기가 매우 긴 휘발성 방사성 동위원소를 안전하게 고정할 수 있어 방사성폐기물의 장기 처분 안전성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
무흐무드 하산 박사가 1 저자로 참여한 이번 연구는 환경공학 분야 국제 학술지 ‘유해물질저널(Journal of Hazardous Materials)’ 11월 11일 자 온라인판에 게재됐다.
동위원소 생산시설이나 사용 후 핵연료 처리시설에서 발생하는 방사성 핵종 중 반감기가 매우 긴 원소들을 안전하게 포집한 후 처분하기 위해서는 방사성 원소들과 화학적 결합력이 우수하면서 내구성과 안정성이 높은 매질을 사용해야 한다.
현재 고준위 폐기물의 처분을 위해 유리 등의 매질을 사용하고 있으나 끓는 점이 낮은 요오드는 고온의 용융 공정에서 휘발되면서 대기로 유출될 가능성이 있다.
특히 요오드-129는 반감기가 1천 500만 년 이상으로 이러한 초장수명 방사성 동위원소를 장기 처분할 수 있는 방사성폐기물 고화체의 제조공정 및 신소재 개발이 필요하다.
류 교수 연구팀은 방사성폐기물 고화체용 신소재 개발을 선도하는 미국, 유럽 등에서 시도하고 있는 고온에서의 소결 공정과는 달리, 300도 미만에서 치밀화될 수 있는 저온 소결 공정을 이용해 세라믹 매질을 개발했다. 연구팀의 매질은 요오드가 함유된 소달라이트 세라믹 매질로 화학적 안정성을 높이는 데 성공했다.
연구팀의 기술은 최근 미국을 중심으로 발표되고 있는 용매 기반 저온 소결 공정과 달리 용매를 사용하지 않는 친환경적인 고유의 저온 소결 공정으로, 관련 기술의 특허 출원 및 등록에 성공했다.
이를 기반으로 연구팀은 방사성 요오드 처분용 세라믹 재료 외에도 방사성 세슘 흡착용 세라믹 필터 등 방사성 이온 제염 및 환경 복원을 위한 세라믹 신소재의 저온 소결 기술을 고도화하기 위한 연구를 계속 진행할 예정이다.
류 교수는 “전통적으로 1천 도 이상 고온에서 소결되던 세라믹 재료를 300도 미만의 매우 낮은 온도에서도 치밀화 할 수 있음을 증명했다”라며 “원자력 분야 외에도 바이오 임플란트 소재, 연료전지 전해질 등 다양한 첨단 분야에서 저온 소결 기술을 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 원자력연구기반확충사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 저온 소결에 의한 세라믹 소결 기술 개요
2019.11.20 조회수 11655