원전 해체 발생 방사성 폐액 처리 성능 향상을 위한 친환경 바이오 소재 공정 개발
(Development of Eco-friendly Bio-material to Improve the Treatment Performance of Radioactive Liquid Waste from Decommissioning)
바이오산업자원공학전공 윤미용 교수
1. 서론 (Introduction)
전 세계적으로 영구 정지된 원전의 해체는 원전보유국으로서는 큰 국가적 목표이며, 국내에서는 현재 고리1호기와 월성1호기 해체를 준비 중이다. 현재 전 세계 204기 영구정지 원전 중 미국, 독일, 일본, 스위스 4개국만이 해체를 완료한 경험이 있다. 해체 경험이 없는 한국은 소규모 원자력 시설(연구로 1·2호기, 우라늄변환시설) 및 운영 원전 대형 기기 교체(증기발생기, 원자로 압력관 및 원자로 헤드 교체) 경험을 통해 해체 기술을 확보 중이며, 계속해서 원전 해체 상용화 기술을 확보하기 위한 사업이 추진되고 있다.
원전 해체 과정에서 대량의 방사성폐기물 발생, 막대한 해체 비용, 장기적 관리 등이 중요한 문제로 대두되고 있다. 또한 방사성폐기물 관리기준 및 발생량은 국가별로 상이하므로, 해외 기술을 직접 도입하기보다 국내 여건에 부합하는 방사성폐기물 처리 기술을 개발하는 것이 요구되고 있다. 특히 한국은 국토의 면적 대비 인구가 많아 방사성 폐기물 처분장의 증설이 어려울 뿐만 아니라 방사성폐기물 안전관리에 대한 국민적 요구가 높기 때문에 방사성폐기물 처분의 경제적/사회적 비용이 크게 증가한다.
현재 방사성 폐액 처리에 주로 사용되고 있는 이온교환수지는 방사성 이온 물질로 포화가 되면 방사성 폐수지로 처리되어야 하기 때문에 2차 핵 폐기물이 양산 된다. 국내에서 겪고 있는 방사성폐기물 처리장 부족 문제 때문에, 2차 핵폐기물 감용에 대한 관련 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다. 이에 본 연구팀은 정부에서 주도 하는 원자력 에너지개발사업 일환으로 압타머를 적용한 폐액 처리 공정(그림 1)을 개발하는 연구를 수행하였다. 최근 보고된 연구에서 압타머가 특정 이온성 원소에 높은 선택성을 갖고 결합할 수 있다는 결과들과 본 연구팀이 코발트 및 니켈을 제거하는 압타머 기술을 바탕으로 압타머를 원자력분야에 적용하는 다양한 연구를 수행하였다. 즉,특정 표적 물질에 선택적으로 결합할 수 있는 압타머 고유의 특징을 활용하여, 원전 해체로 발생하는 방사성 폐액 내 특정 원소를 제거 및 처리하기 위한 원천기술을 개발하고자 하였다. (그림 1) 그리고 이를 방사성 폐액 처리에 활용함에 따라 액체 방사성폐기물 감용 및 처리비용 절감과 같은 다양한 부가가치 창출이 가능할 것으로 예상하였다.
(그림 1) 압타머 기반 폐액 처리 공정 개요
2. 방사성물질 제어를 위한 방사성 금속 이온 특이적 압타머 발굴
압타머(Aptamer)는 “fitting”이라는 뜻을 가지는 라틴어 “aptus”와 그리스 접미사 “-mer”의 합성어로, 표적 분자에 친화적/특이적으로 결합할 수 있는 핵산(ssDNA, RNA)으로 구성된다. 즉, 압타머는 안정된 3차원 구조를 유지하면서 특정 분자에 특이적으로 강하게 결합한다는 특징을 지닌 친환경 바이오 소재이다. (그림 2)
(그림 2) 친환경 바이오 소재 압타머
친환경 바이오 소재인 압타머는 그 고유 구조에 의해 표적 물질 별로 선택성을 가지고 결합할 수 있다는 특징이 있으며, 이를 이용하여 방사성 폐액 내 특정 원소를 제거하기 위한 ‘친환경 바이오 소재 공정’을 개발하였다.
압타며 발굴을 위해 보편적으로 SELEX(Systematic evolution of ligands by exponential enrichment) 기술이 사용된다. SELEX 기술은 1990년 Larry Gold에 의해 고안된 것으로, 해당 기술을 통해 무작위로 합성된 올리고뉴클레오타이드 라이브러리(oligonucleotide library: 서로 다른 종류의 수십 조개의 압터머가 포함 되어있음)로부터 표적 물질과 친화력을 가지는 소수의 압타머를 선별할 수 있다. 또한 동일한 방법으로 저분자 화합물부터 고분자 단백질에 이르기까지 다양한 표적 물질에 친화력을 가지고 결합할 수 있는 압타머를 발굴할 수 있다. SELEX 방법에서 이용되는 단일 가닥 압타머는 1015개 이상의 다양한 염기서열을 포함하며, 양 말단에는 중합효소 연쇄반응(PCR: polymerase chain reaction)을 위한 프라이머(primer) 서열이 존재하는 특징을 지닌다. 무작위로 만들어진 압타머 라이브러리(library)에는 방사성 금속 이온과 강한 결합력을 가진 소수의 압타머 후보군들이 존재할 것으로 기대된다. 방사성 금속 이온과 결합한 후보군들은 결합하지 않은 개체들과 구별되어 PCR로 증폭되고, 이러한 과정이 6~15회 반복되어 선별된다 (그림 3). 이때 SELEX의 전반적인 속도는 표적 물질에 결합하고 있는 압타머를 얼마나 효율적이고 정교하게 선별해낼 수 있는지에 따라 좌우된다. 반복된 실험과정을 효과적으로 단축하면서 결합 친화도가 높은 압타머를 선별하는 것이 SELEX 기술의 핵심이다.
(그림 3) SELEX(Systematic evolution of ligands by exponential enrichment)를 이용한 방사성 금속 이온 결합 압타머 발굴
위의 SELEX 방식을 통해 방사성 폐액에 존재하는 대표 핵종인 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn) 이온에 대한 압타머를 발굴하였다. 각각의 표적 이온과의 결합력을 확인하기 위하여 SPR(Surface Plasmon Resonance)로 결합 친화도(Kd value)를 측정한 결과, 10-9(nM)의 높은 결합력을 확인하였다. (표 1)
(표1) 발굴된 방사성 이온 압타머의 결합 친화도
3. 방사성물질 제어를 위한 압타머 구조분석 및 최적화
발굴한 방사성 이온 특이적 압타머의 효율성과 생산 단가 절감을 위해 압타머 서열 분석 및 압타머를 고정할 비드와의 결합 비율 최적화 단계를 수행하였다. 우선, SELEX를 통해 획득한 압타머의 금속 이온과 결합하는 부위 및 압타머 안정화에 관여하는 부위 등을 예측하기 위해 핵산 구조 분석 프로그램(m-fold/NUPACK)을 이용하였다. 프로그램을 통해 확인한 압타머의 주요 부위 혹은 구조에 영향을 줄 수 있는 부위를 돌연변이(mutation) 혹은 제거(deletion) 등의 방식으로 변이를 유도하였고, 이를 통해 압타머 2차 구조 변화 여부를 예측하였고, 이를 기반으로 표적 이온과 결합하는데 기여하는 결합 부위 서열을 최종적으로 결정하였다. 나아가, 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy; ∆G) 값이 낮을수록 압타머 구조가 안정적이므로, 압타머의 2차구조 및 결합 부위 서열을 유지하면서 더 안정적인 구조를 유지하는 최적의 서열을 확보하였다. 마지막으로 생산 단가 절감을 위해 결합 부위 서열을 유지하는 최소한의 압타머 서열 만을 남기는 크롤링(crawling-염기 서열을 끝에서부터 일정하게 제거하면서 구조 변화를 검증) 방식을 통해 서열을 최적화 하였다. (그림 4)
(그림 4) 구조분석 프로그램을 이용한 압타머 구조 분석 및 서열 최적화
최적화된 압타머 서열 획득한 후, 압타머를 고정할 비드와의 최적 결합 비율을 결정하는 것이 중요하다. 예를 들어 하나의 비드에 압타머 10개가 최대치로 결합할 수 있다고 가정해 보자. 산술적으로 최대치를 계산할 수 있는 데는 한계가 있기 때문에 압타머 개수를 1개부터 조금씩 양을 늘려서 언제 압타머 개수가 최대치인지를 결정해야 한다. 이때 압타머에 형광을 붙인 상태에서 위의 실험을 수행한다면, 압타머 개수가 10개에 도달했을 때 형광 값이 가장 밝은 것을 알 수 있을 것이다. 즉 10개 이상이면 더 이상 밝기가 밝아지지 않기 때문에 우리는 최대값을 분석을 통해 얻을 수 있다. 다만 여기서 고려해야 할 상황은, 압타머를 최대치로 붙이는 것이 최선이 아닌 경우가 많다는 것이다. 압타머의 밀도가 높은 경우, 오히려 서로 금속 이온 결합에 방해를 할 수 있기 때문이다. 이에 본 연구팀은 압타머를 비드에 최대치로 고정시키는 것이 아니라, 가장 많은 금속과 결합하는 비드/압타머 비율을 결정하는 실험을 별도로 수행하였다. 기존 방법(형광 현미경 혹은 형광측정기)으로는 압타머/비드 효율을 결정하기 위해 많은 시간과 노력이 필요하는 데 반해, 본 연구팀은 새로운 방식을 접목시켜 쉽고 빠르게 압타머/비드 비율 최적화를 얻을 수 있었다. 그림5A에서 보듯이, Flow cytometry(유세포분석기)를 이용하여 형광이 부착된 압타머와 비드 복합체를 분석하면 실험에 사용된 모든 압타머/비드 분석이 가능하며, 이를 통해 정확한 샘플의 질을 예측할 수 있었다 (그림 5A, B). 나아가, 이와 같이 새로 접목된 실험 방법을 통해 얻은 결과의 신뢰성을 입증하기 위해 기존 방식(형광현미경)을 이용하여 유세포분석기 결과를 검증하였다. 그림 5를 통해 서로 다른 실험 방식에서 유사한 결과를 얻었음을 확인할 수 있었다 (그림 5A, C, D).
(그림 5) 유세포 분석기(A-C)와 형광 현미경(D)을 이용한 압타머-비드 복합체 비율 결정 실험 결과
4. 최적화된 방사성 이온 압타머의 성능 평가
방사성물질 제어를 위한 금속 이온 압타머의 이온 성능을 확인하기 위하여 압타머의 이온 제거 성능과 제거한 이온을 다시 회수한 뒤 압타머를 재사용 할 수 있는지 확인하였다. 압타머의 성능 평가에는 금속 이온 농도를 측정할 수 있는 유도결합 플라즈마 분광분석기(ICP-OES: Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer)를 사용하였다. (그림 6)
(그림 6) ICP-OES를 통한 압타머 성능 평가 (제거율 및 수거율)
본 연구팀은 코발트, 니켈, 망간, 유로피움 등의 원소와 특이적으로 결합하는 압타머를 다수 발굴하였다. 이렇게 발굴한 코발트, 니켈, 망간에 특이 결합하는 압타머를 비드에 각각 고정시킨 후 각각의 표적 이온을 대상으로 이온 제거율 및 제거한 이온 수거율을 확인하였다. 이에 따른 결과에서 코발트, 니켈, 망간 압타머 모두 99% 이상의 표적 이온 제거율이 보임을 확인하였다 (그림 7A).
원자력발전소 해체 및 운용 중 발전소에서 사용되고 있는 기존 방사성 금속이온 제거용 이온교환수지의 경우 방사성 금속이온으로 포화가 되면, 이를 방사성 폐기물로 처리해야 되기 때문에 2차 핵폐기물이 발생한다는 단점이 존재한다. 현재 가장 큰 어려움은 국내 핵폐기물장의 부지 선정의 지연으로, 이러한 핵폐기물 처리 문제는 원자력분야의 최대 골칫거리로 자리잡고 있다. 이온교환수지에서 방사능 금속 이온을 제거할 수 있는 방법이 존재하지만, 이 또한 황산 등의 강산을 사용해야 하기 때문에 2차 환경오염물질을 배출해야 하며, 강산과 섞여 있는 방사성 물질의 처리가 어렵기 때문에 현재에는 방사능 물질로 포화된 이온교환수지를 핵폐기물장에 처리하고 있다. 따라서 이러한 2차 핵 폐기물 감용 기술 개발이 많이 요구되는 상황이다. 본 연구팀이 개발한 압타머/비드 컬럼을 사용했을 경우 컬럼에 결합되어 있는 방사성 금속 이온을 쉽게 분리할 수가 있다. 이러한 컬럼을 이용한 결과, 그림 7B에서 보듯이 분리된 금속 이온이 99.96% 이상이 되는 것으로 확인 되었고, 이는 기술력이 수거율 100%에 이를 정도로 발전 했음을 의미한다.
(그림 7) 압타머의 표적 이온 (A) Removal rate(제거율) 및 (B) Recovery rate(수거율)
앞에서 언급하였듯이 압타머로 포집한 방사성 금속 이온을 거의 100%에 가까운 수거율로 회수 할 수 있다는 것은, 압타머/비드 컬럼 내에 방사성 금속 이온이 거의 존재하지 않는다는 뜻이며, 이는 제품을 다시 재사용 할 수 있는 가능성이 높다는 것을 의미한다. 제품을 재사용 한다는 것은 유지 비용의 감소를 의미하며, 이는 곧 경쟁력이 될 수 있기 때문에 위 과정을 입증하기 위하여 압타머/비드 컬럼의 재사용 검증 실험을 수행 하였다 (그림 8). 그림에서 보이듯이 20회 정도의 반복적인 재사용에도 95% 이상의 코발트 이온의 제거율을 보이고 있음을 확인하였다. 앞으로 추가적으로 다양한 환경에서 재사용 회수를 늘려 제거율 측정 실험을 수행할 예정이다.
(그림 8) 압타머의 재사용 횟수에 따른 제거율
압타머는 기본 구조에 음성을 띠고 있어 양이온과의 결합이 쉽게 이뤄진다. 그렇기 때문에 본 연구팀이 개발한 압타머가 표적 이온에 선택적으로 결합하는지에 대한 여부를 확인하는 것이 필요했다. 이러한 실험을 진행 하기 위해 9가지 이온 혼합 샘플을 압타머 기반 컬럼으로 처리하고, 처리 전과 후의 농도를 측정하여 제거율을 평가하였다. 코발트/니켈/망간 특이적 압타머 혼합 컬럼의 경우 대상 이온에 대해 70~85% 정도의 높은 제거율이 확인되었기 때문에 각각의 압타머가 대상 금속 이온에 대해 높은 선택성을 갖고 있음을 확인하였다. (그림 9)
(그림 9) 다표적(코발트, 니켈, 망간 압타머) 컬럼의 표적 이온 선택성 검증
5. 현장 시험
위에서 언급하였듯이, 다양한 실험을 통해서 본 연구팀이 개발한 압타머들이 높은 선택성으로 표적 방사성 이온을 제거할 수 있음을 확인하였다. 하지만 실험실 조건에서 실시한 실험 샘플들은 대상 방사성 이온만 존재하게끔 만든 인위적인 상태였기 때문에 현장 샘플을 이용한 검증이 필요하였다. 실제 방사성 조건에서도 압타머를 이용한 제거가 가능한지 확인하기 위해 실시 된 현장 시험은 크게 두 곳에서 독립적으로 진행하였다. 한 곳은 한국원자력연구원에서 방사성물질 포함 시료를 대상으로 현장 시험을 수행하였고, 다른 한 곳은 영광 한빛 제1원자력발전소에서 1차 계통수를 대상으로 현장 시험을 수행하였다. 그림 10에서 볼 수 있듯이 서로 다른 독립된 실험 두 곳에서 방사성 이온이 90% 이상 제거되는 것을 확인하였다 (그림 10). 특히 한국원자력연구원에서 실험한 경우 실험실 조건과 동일하게 99%의 방사성 코발트와 니켈 금속 이온이 제거된 것을 확인할 수 있었으며, 한빛원자력발전소 역시 다양한 방사성 금속 이온이 샘플 내에 존재하였지만, 90%의 방사성 코발트와 망간이 제거된 것을 확인할 수 있었다.
(그림 10) 방사성 조건에서 압타머 성능평가를 위한 현장 시험
6. 결론 및 전망 (Conclusion and outlook)
본 연구는 의료 및 산업 분야에서 각광받고 있는 압타머를 원자력 분야에 도입하여 방사성 폐액에 존재하는 이온성 원소를 제거할 수 있는 세계 최초의 신규 공정을 개발하였다는 점에 의의를 둔다. 특히 본 연구팀이 개발한 압타머/비드 컬럼은 방사성 코발트, 니켈, 망간 등을 90% 넘는 높은 효율로 제거 하였기 때문에 현장 적용 가능성이 높다고 판단된다. 표적 물질 특이적 압타머 기술을 활용한 방사성 폐액 처리용 압타머 컬럼은 표적 방사성 이온에 결합력이 특히 강하므로, 이 특성을 활용함으로써 다양한 폐액의 특성 및 환경에 맞춰 처리 공정을 최적화시킬 수 있다는 점에서 기존 기술과 차별성이 있다.
본 연구팀은 압타머 개발 시 표적 이온과의 결합 예측 부위 분석으로 결합에 관여하지 않는 불필요한 서열은 제거함으로써 압타머의 생산 단가를 절감할 수 있는 기술을 발전시켜 보다 효율성을 높이는 성과를 얻었다. 또한, 개발된 압타머는 표적 이온을 높은 선택성으로 포집하는 것이 가능하고, 포집된 이온을 회수하는 것이 가능하였다. 특히 개발한 압타머/비드 컬럼에 포집된 이온을 회수할 수 있는 기술을 독자적으로 확보 하여 추후 현장에 적용할 때 큰 장점으로 작용할 것이라 판단된다. 또한 반복적인 재사용이 가능하다는 점은 현장에서 유지비용을 크게 절감시켜 사용자에게 경제적 이점을 제공할 수 있을 것이다. 더불어 기존 방사성 이온 제거 방식인 이온교환수지의 경우 방사성 물질로 포화가 되면 2차 방사성 폐기물로 처리되어 왔지만, 본 연구팀이 개발한 압타머/비드 컬럼의 경우 2차 방사성 폐기물이 전혀 발생하지 않기 때문에 운용 중 원자력발전소 및 발전소 해체 시 발생되는 방사성 폐기물 양을 현격히 줄일 수 있다.
하지만 본 연구는 실험실 규모의 저용량 규모로 연구가 진행되었기에 실제 원전 해체 환경에 적용하기에는 많은 추가 연구가 필요하다. 특히 원전 해체 환경 혹은 원자력발전소에 적용하기 위하여 방사성 폐액 양의 증가, 컬럼에 유입되는 폐액 유압 및 유속 등이 압타머 구조에 미치는 영향 등과 같이 추가로 검증해야 할 부분이 많은 것은 사실이다. 하지만 압타머를 이용하여 방사성 이온을 제거 하는 기술은 국내외 유일하기 때문에 추가 연구를 통해 방사성 폐액 처리 기술 및 공정 개발이 완벽하게 이뤄지면 관련 원전 해체 산업에 대한 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 해체 발생 폐액 외에도 특정 금속 이온을 제거하고자 하는 분야에서 높은 상용화 가능성이 있다. 본 기술은 특정 원소를 제거 및 회수 한다는 점에서 타 기술들과 차별화되므로 원천기술의 고도화를 통하여 미래 환경분야에 기여할 수 있기를 기대한다.
본 연구는 ㈜래드코어와 한국전력국제원자력대학원대학교 김송현 교수 연구팀과 공동으로 진행되었고, 한국에너지기술평가원의 지원을 받아서 수행되었다.
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