핵 배터리

핵 배터리(nuclear battery)는 일명 원자력전지라고도 한다. 원자력에너지로는 핵분열과 핵융합이 있는데 현재의 핵 배터리는 핵분열 방식이다. 핵 배터리에는 열전기, 열광전기, 직접 전하 수집(direct charge collection), 열이온, 섬광매개체 및 직접 에너지 전환(direct energy conversion) 알파볼타 및 베타볼타 등 다양한 종류가 있다. 이 중에서 최근 40여 년간 가장 우세한 핵 배터리 기술은 방사성동위원소 열전발전기(RTG: Radioisotope Thermoelectric generator)이며 이는 방사성동위원소의 붕괴열을 전기로 전환시키는 것이다.

핵 배터리는 상당히 매력적인 전지이기에 수많은 연구가 진행되어 특수분야에서 사용하고 있는 제품이다. 인공위성이나 신호발생기, 극저온지역 탐사선, 심장박동기등에서 이용된다. 특히 인공위성에서 많이 사용되는데 화학전지는 수명이 짧고 태양전지는 화성을 벗어나면 약해서 사용이 어려워서 행성탐사용 위성에는 원자력전지와 소형원자로가 사용되고 있다. 예로서 목성탐사선 파이어니어 10호는 8W짜리 원자력전지가 탑재되어 현재도 신호를 보내오고 있고, 바이킹이나 보이저호도 원자력전지가 탑재되어 우주에서 탐험중이다. 지금까지의 방법은 방사선동위원소에서 나오는 열을 전기로 변환하는 방법을 주로 사용하였다고 한다.

원리

핵 배터리는 방사성 동위원소가 붕괴되는 과정에서 생기는 열과 방사성 입자를 이용해 발전하기 때문에 두 가지 원리가 있다.

한 가지는 온도차 열전 핵 배터리로서 붕괴로 생기는 열에너지를 이용해 열전재료를 통해 전기로 전환한다. 미국의 화성탐사선 큐리오시티(curiosity)나 창어3호에 실려 달에 상륙하는 중국의 첫 월면차는 온도차 열전 핵 배터리를 사용한다. 이러한 핵 배터리는 제조가격이 아주 비싸며, 출력도 높다. 최소한 수와트에서 수백와트이다.

핵 배터리는 수명이 길고 열악한 환경 영향을 받지 않아 우주에서 아주 필요한 에너지를 보충한다. 이 특징은 심해, 원해, 급류와 위험한 여울에 설치된 등대와 항로의 등부표 수요를 충족시켜준다. 온도차 열전 핵 배터리는 심장박동기에 전력을 공급할 수 있다. 현재 심장박동기에 사용하는 리튬전지는 수명이 8~10년으로서 환자는 이 주기가 지나면 수술을 통해 박동기를 교환해야 한다. 심장박동기의 전기가 소모되어 사망하는 사례가 자주 발생하고 있는 실정이다.

핵 배터리는 수명이 긴 장점이 있으나 산업화 하지 못했다. 주된 원인은 높은 방사원 비용 때문이다. 방사원 프로메튬147의 경우, 1 millicurie(mCi) 가격이 수백 위안이며, 전지 하나가 수백 millicurie를 사용한다. 이는 전지 하나에 수만 위안에서 수십만 위안이 소요된다는 의미이다. 게다가 출력은 아주 작다.

다른 한 가지 핵 배터리의 작동원리는 방사선 볼트 효과를 이용해 방사성 입자 에너지를 전기에너지로 전환하는 것이다. 출력은 나노와트에서 밀리와트로, 마이크로에너지로 불리고 있다.

2012년 미국 플로리다 City Labs 실험실은 세계 최초의 트리튬전지를 발표하고, NanoTritium로 명명했다.

문제점

핵 배터리의 대규모 사용은 시급히 해결해야 할 많은 난제가 존재하고 있다. 기존 기술로는 핵 배터리 에너지 전환율이 낮은 문제를 해결할 수 없다. 핵 배터리는 많은 에너지를 저장할 수 있으나 전환율이 1~3%에 불과한 것으로, 태양전지보다 훨씬 낮다. 출력이 작아 모바일 전자설비에 단독적으로 구동적용하지 못한다.

핵 배터리 산업의 발전을 제약하는 문제는 주로 법규이다. 민간에서 규제를 받지 않고 핵 배터리를 사용하는 것은 아주 위험한 일이다. 세계적으로 핵 배터리의 민간 사용은 모두 법규 제한을 받으며, 일부 방사원의 반감기는 수천년이다. 조심하지 않아 어느 곳에 버리면 위험위해성이 천년간 지속된다. 핵 배터리의 제조, 유통, 회수에 대해 완비된 법률과 법규를 제정하고 엄격히 시행해야만 전망이 밝은 에너지가 제대로 사용될 수 있다.

참고자료

• 〈핵전지의 민용화는 시기상조〉, 《한중과학기술협력센터》, 2013-02-07

같이 보기

• 원자력전지

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