현대 수소차 숨은 공신은 원자로 ‘하나로’

■ 현대차 연구팀 실증실험 현장

맥주 캔에 선글라스를 씌워 만든 장난감을 의료용 X선사진(왼쪽), 일반사진(가운데), 중성자영상으로 찍은 모습이다. 중성자는 물질 내부의 균열이나 수분 분포 등을 정확하게 분석할 수 있다. 한국원자력연구원 제공

지난달 말 현대자동차가 ‘수소연료전지 자동차’의 양산을 시작했다고 밝혀 화제가 됐다. 지금까지 친환경 자동차의 대명사인 수소연료 자동차 양산에 성공한 나라가 없는 상황에서 미래형 자동차를 우리 기업이 처음 만들었기 때문이다.

그런데 이 친환경 자동차 개발의 숨은 공신은 따로 있다. 바로 한국원자력연구원의 연구용 원자로 ‘하나로’다.

○ 원자로로 실제 운전 상황 재현

‘하나로 원자로 시험동’에 들어서면 가장 먼저 눈에 띄는 것이 거대한 원자로와 여기에 연결된 각종 대형 실험 장치다.

현대자동차 연료전지개발1팀 윤종진 책임연구원은 지난 5년간 하나로를 제집 드나들 듯 오가며 원자로에 연결된 대형 실험 장치로 연료전지 실험에 매달려 왔다. 이번 주에도 내내 대전에 머물며 실험을 진행하고 있단다.

윤 연구원의 주 업무는 현대차가 개발한 수소연료전지의 성능을 실증하는 것. 성능이 좋지 않으면 설계를 수정하고 다시 실험하며 성능을 끌어올리는 데 주력하고 있다.

이 과정에서 윤 연구원이 사용하는 장비가 바로 하나로에 설치된 ‘수소연료전지 실증 장치’다. 현대차의 요청으로 하나로에 설치된 ‘중성자영상장치’에 추가 장비를 붙여 연료전지의 성능을 실증할 수 있는 장치로, 이곳 외에는 미국국립표준원, 펜실베이니아 주립대, 스위스 파울셰러연구소에만 있다.

하나로에 연료전지 실증 장치를 붙이기 전까지 현대차는 미국 펜실베이니아 주립대 중성자 실험실을 이용했다. 윤 연구원은 “하나로에 실험 시설 추가 설치가 가능하다는 것을 알고 원자력연구원과 협력해 2008년부터 가동시켰다”며 “해외 출장을 다니며 실험할 때와는 달리 연구가 일사천리로 진행됐다”고 말했다.

한국원자력연구원의 연구용 원자로 ‘하나로’에 연결된 ‘중성자영상장치’(왼쪽 앞)의 모습. 현대자동차 윤종진 책임연구원이 실험데이터를 확인하고 있다. 대전=전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com

○ 중성자 빔으로 미세 수분까지 꼼짝 마!

정밀 전자장비에서 내부에 남아 있는 수분은 균열을 만들고, 합선을 일으키는 등 성능을 떨어뜨리는 주범이다. 수소를 태워 전기를 만드는 수소연료전지에서 내부 수분을 얼마나 완벽하게 제거하느냐는 성능 향상과 직결된다.

수분이 어디에 얼마나 남아 있는지를 알아 내기 위해서는 중성자 촬영이 유일한 방법이다. 병원에서 찍는 X선 촬영과 비슷한 원리지만, 금속이나 뼈가 아닌 수분을 촬영한다는 것이 다르다. 하나로에 설치된 중성자영상장치를 쓰면 7초마다 한 장씩 촬영해 수소연료전지 속 수분의 흐름을 정확하게 파악할 수 있다. 윤 연구원은 “중성자는 투과력이 높지만 수분에 흡수되는 성질이 있어 수분이 있는 부분은 불투명하게 나온다”고 설명했다.

현대차는 지난 5년간 이 기술을 적용해 수소연료전지의 내부 설계를 수십 차례 바꿨다. 처음에는 수소연료전지 내부 배수관의 구조를 ‘ㄹ’자형으로 구불구불하게 만들었다. 하지만 중성자영상을 찍어 보니 배관이 꺾이는 곳에서 물의 흐름이 나빠지는 것으로 나타나, 2010년에는 내부 배관을 고쳐 삼(三)자 형으로 변경했다. 이렇게 수년간 설계를 고친 결과 수소연료전지의 효율을 20% 이상 끌어올릴 수 있었다. 현대차의 수소연료전지 자동차는 현재 운행거리 600km, 전지 수명 3000시간으로 세계 수준이다. 윤 연구원은 “앞으로 전지 수명을 5000시간까지 늘리는 작업을 진행할 것”이라고 말했다.

이기홍 원자력연구원 중성자과학연구부장은 “중성자를 이용하면 수소연료전지는 물론이고 콘크리트 비파괴 검사, 화약 검사, 항공기 엔진 균열 검사 등 다양한 실험이 가능하다”며 “원자력기술은 과학기술 연구는 물론이고 일상생활에도 큰 도움이 된다”고 말했다.
:: 하나로(HANARO) 원자로 ::

한국원자력연구소가 설계하고 건설한 다목적 연구용 원자로로 1995년 처음 가동됐으며 성능은 세계 10위권에 든다. 의료용 방사성 동위원소 생산, 중성자 빔을 이용한 기초연구, 첨단 소재 개발 등에 쓰인다.

대전=전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com