40년을 지속하는 원자력 전지

사람이 없는 곳, 예를 들어 우주 공간이나 사람이 쉽게 자주 드나들 수 없는 그런 환경 하에서 전기가 필요할 때는 많은 어려움이 따른다. 이런 환경을 극복할 수 있는 것이 태양 전지와 원자력 전지이다. 

태양전지는 날씨 영향을 많이 받으므로 꾸준히 많은 전기가 필요한 경우에는 그 효율이 좋을 수가 없다. 반면에 원자력 전지는 환경이 영향을 받지 않으므로 우주 공간이나 사람이 없는 곳에서 장기간 전기가 필요한 경우에 효율적이다.

이번 글에서는 우리나라에서 개발했다는 40년간 쓸 수 있는 원자력 전지에 대하여 알아보고자 한다.

 

원자력 전지의 개요와 중요성

원자력 전지는 방사성 동위원소의 붕괴 시 발생하는 열을 전기에너지로 변환하는 장치이다. 이 전지는 외부 에너지원 없이도 오랜 기간 동안 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 특징이 있다. 

주로 우주 탐사에서 활용되며, 태양 에너지가 부족한 환경에서도 지속적인 전력 공급이 가능하다. 이러한 특성 덕분에 원자력 전지는 장기 탐사 장비, 심해 탐사, 극지방 연구 등 다양한 분야에서 필수적인 에너지원으로 자리 잡고 있다.

원자력 전지의 활용

원자력 전지는 특히 위성 및 탐사 로봇의 경량화에 기여하며, 전력 효율을 높임으로써 발사 비용 절감에도 도움을 준다. 이러한 기술적 이점은 향후 다양한 산업 분야에서의 응용 가능성을 확대하고, 지속 가능한 에너지 공급의 새로운 가능성을 제시한다.

원자력 전지의 역사는 1950년대부터 시작된다. 이 시기에 방사성 동위원소를 이용한 에너지원으로 처음 연구가 시작되었다. 1960~1970년대에 들어서면서 플루토늄-238을 사용한 원자력 전지가 우주 탐사에 적용되었고, 극한 환경에서도 긴 수명과 신뢰성을 제공했다. 

이러한 기술은 보이저, 갈릴레오 같은 탐사선에 사용되어 장기간 우주 임무를 성공적으로 수행할 수 있었다. 2000년대 이후에는 소형화 및 효율성이 더욱 향상되어, 다양한 과학 탐사와 산업 분야에서 필수적인 에너지원으로 자리 잡게 되었다.

 

원자력 전지의 원리 및 구성 요소

원자력 전지는 방사성 동위원소의 자연 붕괴로 발생하는 열을 이용해 전력을 생성하는 장치이다. 방사성 동위원소는 불안정한 원자핵이 자연스럽게 붕괴하면서 에너지를 방출하는 성질을 가지고 있다. 

이 붕괴 과정에서 알파 입자, 베타 입자, 감마선 등의 형태로 에너지가 방출되며, 이 에너지는 주로 열로 변환된다. 가장 흔히 사용되는 방사성 동위원소는 플루토늄과 스트론튬 등이 있다. 이들 동위원소는 안정적으로 오랜 기간 동안 열을 생성할 수 있다.

방사성 동위원소 밀봉 발열체는 플루토늄-238과 같은 동위원소를 작은 알갱이나 덩어리 형태로 캡슐화하여 사용한다. 이 캡슐은 고온과 부식에 강한 금속 합금으로 만들어져, 방사선 누출을 방지하는 강력한 차폐 기능을 제공한다. 

원자력 전지의 원리

발생한 열을 효율적으로 외부로 전달하도록 설계되어 있으며, 열전 소자와의 접촉 면적을 최대화하여 열 전달 효율을 높인다. 또한, 다중 차폐 구조가 방사성 물질의 누출을 방지하고, 극한 환경에서도 견딜 수 있도록 설계되어 안전성을 보장한다.

방사성 동위원소가 밀폐용기 내에서 스스로 붕괴되며 섭씨 400~700도가 넘는 고열이 뱔생되고, 온도 차이를 전기 에너지로 변환하는 장치인 열전 소자에 의하여 전기로 변환된다. 열전 소자는 세벡 효과(Seebeck effect)를 이용하는데, 세벡 효과는 두 종류의 다른 금속이나 반도체를 접합하고 접합점에 온도 차이를 주면 전압이 발생하는 현상이다. 

열전 소자는 일반적으로 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 같은 반도체 재료로 만들고 적층 구조를 사용하여 다양한 온도 범위에서 최적의 성능을 발휘하도록 설계된다. 또한 비접촉 방식으로 열을 전기로 변환하여 에너지 손실이 적고, 극한 환경에서도 안정적으로 작동하여, 우주 탐사나 심해 탐사 등에서 중요한 역할을 한다.

원자력 전지 내부 모습

방사성 동위원소의 붕괴로 발생한 열은 열전 소자의 한쪽 끝에서 흡수된다. 열전 소자의 반대쪽 끝은 상대적으로 낮은 온도로 유지되며 이로 인해 소자 내에서 온도 차이가 발생한다. 이 온도 차이에 의해 열전 소자 내의 전자들이 이동하며 전류가 발생하고, 이를 통해 전기 에너지가 생성된다.

방사성 물질은 안전하게 밀봉되어 누출을 방지하고, 열이 효율적으로 전달될 수 있도록 설계된다. 이러한 원리 덕분에 원자력 전지는 외부 전력 공급 없이도 장기간 안정적인 전력원을 제공하며, 특히 우주와 같은 극한 환경에서 필수적인 역할을 한다.

 

원자력 전지의 응용 사례

우주 탐사 및 위성 기술

원자력 전지는 태양광이 부족한 깊은 우주나 극지방에서 안정적인 전력을 제공한다. 이는 탐사선이 장기간 임무를 수행하는 데 필수적이다. 또한 소형화된 원자력 전지는 위성의 무게를 줄여 발사 비용을 절감하고, 궤도에서 다양한 과학 장비에 지속적으로 전력을 공급한다.

기타 산업 분야 활용

원자력 전지는 깊은 해저 환경에서도 장기간 탐사 장비에 전력을 공급할 수 있어, 해양 연구에 중요한 역할을 한다. 그리고 극한의 환경에서 지속적인 전력 공급이 가능하여, 극지 연구 기지에서 활용된다.

국방 및 통신

원자력 전지는 안정적이고 장기간의 전력 공급이 필요한 군사 장비와 원거리 통신 장치에도 응용 가능성이 크다.

이러한 응용은 원자력 전지가 다양한 분야에서 필수적인 에너지원으로 활용될 수 있음을 보여준다.

 

원자력 전지의 장단점과 우리나라의 개발

원자력 전지에 사용되는 방사성 동위원소의 반감기가 길어 장기간 안정적인 전력 공급이 가능하고, 유지보수가 어려운 환경에서 특히 유리하다.

또한 열전 소자를 통해 방출된 열을 다양한 온도 범위에서도 효율적인 전력 생산이 가능하므로 에너지 손실이 적다.

얼마 전에 우리나라에서 플루토늄을 사용하여 40년 동안 별도의 충전이나 교체 없이 구동이 가능하며, 높은 에너지 밀도로 많은 양의 에너지를 생산할 수 있는 원자력 전지가 만들어졌다. 대한민국 최초의 우주원자력 시스템인 이 원자력 전지는 수천억 원의 경제 효과를 가져오며, 달 탐사 임무 기간을 오랫동안 연장할 수 있는 핵심 기술이다.

우주 환경에서 정상적으로 전기를 생산하는지 확인하기 위해 원자력연구원은 누리호 성능검증위성 시험에서 원자력전지의 안정성과 신뢰성을 검증했다. 

모든 기능이 극한 환경에서 정상적으로 작동했고, 목표 전기 출력에 성공적으로 도달했다. 앞으로 원자력연구원은 방사성 동위원소 열원을 탑재한 동위원소 전지를 제작할 계획이며, 이를 달 탐사선에 탑재하고 다양한 탐사에 활용할 것이다.

그러나 원자력 전지는 방사성 동위원소를 사용하므로 안전한 취급과 폐기 처리가 중요하므로 밀봉 기술의 발전이 필요하다. 또한 방사성 물질의 누출 위험이 있으며, 이에 대한 철저한 안전 대책이 필수적이다. 그리고 원자력 전지는 초기 개발과 생산 비용이 높아 경제성을 확보하기 위한 기술 개발이 필요하다.

원자력 전지는 혁신적인 에너지원으로, 우주 탐사와 위성 기술, 심해 탐사 등 다양한 분야에서 장기간 안정적인 전력을 제공gks다. 긴 수명과 높은 효율성은 특히 극한 환경에서 중요한 장점이다. 하지만 방사성 물질의 안전 관리와 경제적 비용 문제는 지속적인 연구와 개선이 필요한 도전 과제이다. 

 

마무리

미지에 대한 호기심과 탐구는 인류 발전의 원동력이다. 콜럼버스가 신대륙에 도착하고 라이트 형제가 비행기를 하늘로 날렸으며, 암스트롱이 달을 밟은 이후 인류는 우주에 집중하기 시작했다. 

그러나 우주에 도달한 인류를 기다리는 것은 척박한 환경이다. 단순히 도달하는 것에서 끝나는 것이 아니라, 지속적인 달 탐사를 위해 극한 환경에 적응할 수 있는 기술이 필요하다. 

달의 밤은 지구의 밤과 다르다. 14일간의 긴 밤 동안 차가운 온도가 2차 전지를 방전시켜 안정적인 전력 공급이 불가능하게 한다. 그래서 새로운 전력원인 원자력전지가 만들어졌다. 원자력전지는 외부 동력원 없이 자체적으로 전기를 생산하기 때문에 극한 환경에 적합한 동력원이다.