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방사성동위원소 열전기 발전기

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목차

1. 개요

방사성동위원소 열전기 발전기(RTG)는 방사성 붕괴를 통해 얻는 열 에너지를 전기로 변환하는 장치이다. 1954년 최초로 개발되었으며, 주로 태양 전지 패널 사용이 어려운 심우주 탐사선에 사용된다. 플루토늄-238(238Pu)을 비롯한 다양한 방사성 동위원소를 연료로 사용하며, 반감기가 길고 높은 에너지 밀도를 가진 연료가 요구된다. RTG는 안정적인 전력 공급이 가능하지만, 방사성 물질 누출의 위험이 있어 안전 대책이 중요하다. 최근에는 플루토늄 부족 문제로 인해 임계 미만 반응을 이용하는 새로운 RTG 기술이 연구되고 있으며, 대한민국에서도 우주 개발 계획의 일환으로 RTG 기술 개발이 진행 중이다.

2. 역사

RTG는 1950년대 미국에서 처음 개발되었으며, 1961년 트랜싯 4A 인공위성에 최초로 탑재되어 우주 공간에서 사용되기 시작했다. 이후 RTG는 보이저 1호, 2호, 카시니 탐사선 등 다양한 우주 탐사 임무에 활용되며 그 신뢰성과 장수명을 입증했다.

초기에는 심장 박동 조절기에도 사용되었는데, 2004년에는 약 90개의 심장박동조절기가 RTG를 사용하고 있었다. 하지만, 2007년에는 9개로 줄었다. 마운드 연구소 심장 박동기 프로그램은 1966년 6월 1일에 시작되었으나, 화장 시 RTG가 열을 받아 위험해질 수 있다는 우려 때문에 1972년에 중단되었다.[13] [14][15]

2. 1. 초기 개발

1954년, 마운드 연구소의 과학자 케네스 C. 조던과 존 버든은 RTG를 최초로 발명했다.[2][3] 이들은 2013년에 미국 발명가 명예의 전당에 헌액되었다.[4][5] 1957년 1월 1일부터 조던과 버든은 폴로늄-210을 열원으로 사용하여 열을 전기 에너지로 변환하는 방사성 물질 및 열전대 연구를 위해 미국 육군 신호 군단 계약(R-65-8- 998 11-SC-03-91)을 진행했다. 1950년대 후반, RTG는 미국 원자력 위원회의 지원 하에 오하이오주, 미아미스버그의 마운드 연구소에서 버트람 C. 블랭크 박사의 주도로 개발되었다.[6]

2. 2. 우주 탐사 적용

1961년, 트랜짓 4A 위성에 SNAP 3B가 탑재되어 최초로 우주에서 RTG가 사용되었다.[6] 1966년, 미국 해군은 알래스카 페어웨이 록 섬에 RTG를 설치하여 지상에서 처음으로 사용했다.[6] 이 RTG는 1995년까지 해당 지역에서 사용되었다.

RTG는 태양 전지 패널의 사용이 어려운 심우주 탐사선에 많이 사용되었다. 파이오니어 10호 및 11호, 보이저 1호 및 2호, 갈릴레오, 율리시스, 카시니, 뉴 호라이즌스 등 다양한 심우주 탐사선에 RTG가 탑재되었다.[6]

아폴로 12호부터 17호까지의 아폴로 달 착륙선, 바이킹 착륙선 등에도 RTG가 사용되었다.[7] 아폴로 13호 달 착륙이 중단되었기 때문에, RTG는 통가 해구 근처의 태평양에 있다.[7] 큐리오시티 및 퍼서비어런스 화성 탐사 로버에도 RTG가 사용되어, 이전 세대의 로버에서 사용된 것과 같이 착륙 지점의 유연성을 높이고 태양열 방식보다 수명을 연장했다.[8][9]

2. 3. 대한민국 및 기타 국가의 RTG 개발 현황

대한민국은 우주 개발 계획에 따라 RTG 기술 개발에 적극적으로 참여하고 있다. 한국원자력연구원 등 관련 기관에서 RTG 연구 개발이 진행 중이며, 미래 우주 탐사 임무에 활용될 것으로 기대된다.

소련은 1980년대 후반까지 소련 북극 해안의 무인 등대와 항해 신호에 전력을 공급하기 위해 1,007개의 RTG를 건설했다.[10][11] 이 RTG에는 스트론튬-90이 쓰이는데, 매우 신뢰성이 높고 일정한 전기를 공급해주지만, 환경 및 보안 문제의 우려가 있다. 등대나 비콘에 설치된 RTG는 파손이나 도난 우려가 매우 높으며, 몇몇 등대는 취약한 문서 관리로 잊혀지기도 했다. 소련 해체 이후 수년 동안 유지 관리되지 않았으며, 일부 RTG 장치가 약탈되거나 얼음, 폭풍, 바다의 자연력에 의해 사라졌다.[11] 1996년, 러시아 정부와 국제 지지자들은 등대에 있는 RTG를 해체하는 프로젝트를 시작했으며, 2021년까지 모든 RTG가 제거되었다.[11]

1992년 기준으로 미국 공군도 원격지에 위치한 북극 장비에 전력을 공급하기 위해 RTG를 사용했으며, 미국 정부는 이러한 장치 수백 개를 사용하여 전 세계의 원격 기지에 전력을 공급했다. 주로 알래스카에 위치한 Top-ROCC 및 SEEK IGLOO 레이더 시스템의 감지 스테이션은 RTG를 사용한다. 이 장치는 스트론튬-90을 사용하며, 1970년대와 1980년대에 미국이 배치한 것보다 지상과 해저에 더 많은 수의 장치가 배치되었다고 공공 규제 문서에서 시사하고 있다.[12]

3. 디자인

RTG는 핵 기술을 사용하지만, 단순한 설계를 가진다. 주요 구성 요소는 방사성 물질(연료)을 담는 튼튼한 용기, 열전쌍, 방열판이다. 연료의 방사성 붕괴로 발생하는 열과 방열판 사이의 온도 차이로 열전쌍에서 전기가 생성된다.[16]

열전쌍은 제벡 효과를 통해 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 열전기 장치이다. 두 종류의 금속 또는 반도체 물질로 만들어지며, 폐쇄 루프에서 서로 연결되어 두 접합부의 온도가 다르면 전류가 흐른다.

RTG는 핵분열 반응로와 달리 연쇄 반응을 사용하지 않는다. 열은 연료 동위원소의 양과 반감기에만 의존하며, 조절할 수 없고 꾸준히 감소하는 속도로 자발적인 방사성 붕괴를 통해 생성된다.[16] 따라서 필요에 따라 열 발생을 조절하거나 끌 수 없고, 전력 소비를 줄여 에너지를 절약할 수도 없다.

플루토늄-238 부족으로 인해, 임계 미만 반응을 이용하는 새로운 RTG가 제안되었다.[16] 이 RTG는 방사성 동위원소의 알파 붕괴를 베릴륨과 같은 원소와의 알파-중성자 반응에 사용한다. 핵분열 반응이 알파 붕괴보다 훨씬 많은 에너지를 방출하므로, 최대 10%의 에너지 이득을 얻을 수 있다.[17]

RTG는 성간 탐사선 등 장기간 임무에 사용될 수 있다. 241Am을 사용하면 전력 출력이 플루토늄보다 장기간에 걸쳐 더 느리게 감소하여 최대 1000년까지 임무를 연장할 수 있다.[19]

다음은 다양한 RTG 모델과 그 사용 예시이다.

이름 및 모델사용최대 출력방사성 동위원소최대 연료 사용량
(kg)		질량 (kg)
전력 (W)열 (W)
베타-M구 소련의 무인
등대 및 비콘		1023090SrTiO3[30]0.26560
에피르-MA30720??1,250
IEU-1802,20090Sr?2,500
IEU-214580??600
공18315??600
고른601,100??1,050
IEU-2M20690??600
IEU-1M120 (180)2,200 (3,300)90Sr?2(3) × 1,050
센티넬 25[31]미국 북극 원격 모니터링 사이트9–20SrTiO30.54907–1,814
센티넬 100F[31]53Sr2TiO41.771,234
RIPPLE X[32]부표, 등대33[33]SrTiO31,500
밀리와트 RTG[34]허가 조치 링크 전원4–4.5238Pu??


3. 1. 구성 요소

카시니 탐사선에 사용된 RTG 도해


RTG는 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있다.

  • '''연료 용기''': 방사성 동위원소 연료를 안전하게 보관하는 튼튼한 용기이다.
  • '''열전쌍''': 제벡 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 열전쌍은 두 종류의 금속 또는 반도체 물질로 만들어지며, 폐쇄 루프에서 서로 연결되어 있고 두 접합부의 온도가 다르면 루프에 전류가 흐른다. 일반적으로 더 높은 전압을 생성하기 위해 다수의 열전쌍이 직렬로 연결된다.
  • '''방열판''': 열전쌍에서 발생하는 열을 외부로 방출하여 RTG의 온도를 조절하는 장치이다.


방사성 동위원소가 붕괴하면서 열을 방출하고, 이 열은 열전대를 통과하며 전기를 생산한다. 연료와 방열판 사이의 온도 차이로 인해 열전쌍에서 전기가 생성된다.

3. 2. 작동 원리



RTG는 핵 기술을 사용하지만, 그 구성은 단순하다. 주요 부분은 방사성 물질(연료)을 담는 튼튼한 용기이다. 열전쌍은 용기 벽에 설치되며, 각 열전쌍의 바깥쪽 끝은 방열판에 연결된다. 연료의 방사성 붕괴는 열을 발생시키는데, 이 열과 방열판 사이의 온도 차이로 열전쌍이 전기를 생산한다.

열전쌍은 제벡 효과를 이용하여 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 열전 효과 장치이다. 열전쌍은 두 종류의 금속 또는 반도체 물질로 만들어진다. 두 종류의 금속은 폐쇄 루프에서 서로 연결되어 있고, 두 접합부의 온도가 다르면 루프에 전류가 흐른다. 일반적으로 더 높은 전압을 생성하기 위해 다수의 열전쌍이 직렬로 연결된다.

4. 연료

RTG에 사용되는 방사성 물질은 다음과 같은 특징을 가져야 한다.[35]


  • 반감기가 충분히 길어 합리적인 시간 동안 비교적 일정한 속도로 에너지를 방출해야 한다. 주어진 시간당 방출되는 에너지량(전력)은 반감기에 반비례한다.
  • 우주 비행용 연료는 질량과 부피(밀도)당 많은 양의 전력을 생산해야 한다. 크기 제한이 없는 경우, 밀도와 무게는 육상용으로 그다지 중요하지 않다.
  • 방사선은 쉽게 흡수되어 열 방사선으로 변환되는 유형, 바람직하게는 알파 방사선이어야 한다. 베타 방사선은 제동 복사 2차 방사선 생성을 통해 상당한 감마/X선 방사선을 방출할 수 있으므로 무거운 차폐가 필요하다. 동위 원소는 다른 붕괴 모드 또는 붕괴 사슬 생성물을 통해 상당한 양의 감마선, 중성자 방사선 또는 침투 방사선을 생성해서는 안 된다.[6]


처음 두 가지 기준에 따라 가능한 연료의 수가 전체 핵종 표에서 30개 미만의 원자 동위 원소로 제한된다.[35]

플루토늄-238, 큐륨-244, 스트론튬-90이 가장 자주 언급되는 후보 동위 원소이지만, 1950년대 초에는 약 1,300개 중에서 43개의 동위 원소가 더 고려되었다.[6]

플루토늄-238은 자연 산소를 포함하는 플루토늄(IV) 산화물(PuO2) 형태로 RTG에 가장 널리 사용되는 연료가 되었다.[37] 그러나 이 경우, 플루토늄-238 1g당 n/sec의 속도로 중성자를 방출하는데, 이는 플루토늄-238 금속에 비해 상대적으로 높다. 이러한 중성자 방출률은 산화물에 존재하는 산소-18 및 산소-17과의 알파, 중성자 반응 때문이다. 플루토늄 이산화물에서 산소-17 및 산소-18의 양을 줄이면 중성자 방출률을 낮출 수 있다.

스트론튬-90은 소련에서 지상용 RTG에 사용되었다. 90Sr은 β− 붕괴를 통해 90Y로 붕괴되며, 이는 다시 β 방출을 통해 빠르게 붕괴된다. 90Sr은 235U 와 239Pu의 핵분열에서 높은 핵분열 생성물 수율을 가지므로 사용후 핵연료에서 추출할 경우 비교적 저렴한 가격으로 대량으로 얻을 수 있다.[42]

일부 프로토타입 RTG는 폴로늄-210을 사용했다. 이 동위원소는 높은 붕괴율로 인해 엄청난 전력 밀도를 제공하지만, 138일이라는 매우 짧은 반감기로 인해 사용이 제한적이다.

아메리슘-241은 238Pu보다 훨씬 더 쉽게 구할 수 있는 후보 동위원소이다. 241Am은 반감기가 432년으로, 이론적으로는 수 세기 동안 장치에 전력을 공급할 수 있다. 현재 전 세계적으로 238Pu가 부족하여[45] 241Am은 유럽 우주국(ESA)에서 RTG 연료로 연구되고 있다.[44][46]

큐륨-250은 자발 핵분열로 주로 붕괴되는 가장 낮은 원자 번호를 가진 동위원소이며, 알파 붕괴보다 훨씬 많은 에너지를 방출하는 과정이다.

4. 1. 연료의 조건

RTG(방사성동위원소 열전기 발전기)에 사용되는 방사성동위원소는 다음과 같은 특징을 가져야 한다.[35]

# 반감기가 길어, 에너지를 길고 안정적으로 생산해야 한다. 또한, 필요한 열을 생산하기 위해 반감기가 짧아야 하는 경우도 있다.

# 우주용으로 사용될 경우, 에너지 밀도가 높아야 한다. 지상에서 사용되어 크기 제한이 없다면 에너지 밀도나 무게는 중요하지 않다.

# 침투력이 약한 고에너지 알파선을 방출해야 한다. 베타선을 방출하면 제동복사에 의해 X선을 방출하여 무거운 차폐 장치가 필요하다. 감마선이나 중성자선이 나오지 않아야 하며, 붕괴 후 생성된 물질에서 방사능을 배출해서는 안 된다.

대부분 RTG는 238Pu을 사용하는데, 반감기가 87.7년이다. RTG는 이 원소를 사용하면서 1년 동안 연료가 {0.5}^{1/87.7} (약 0.787%) 줄어든다.

첫째와 두 번째 기준에 가까운 방사성 동위원소는 약 30개가 있으며, 238Pu, 244Cm, 90Sr이 가장 많이 쓰인다. 210Po, 147Pm, 137Cs, 144Cs, 106Ru, 60Co, 242Cm도 연구 중이다. 238Pu, 244Cm, 90Sr은 3가지 조건에 포함되며, 특히 238Pu는 반감기도 87.7년으로 길고, 2.5mm의 납으로 차폐가 가능하다. 238Pu는 RTG에서 제일 많이 쓰이는데, 플루토늄 옥사이드(PuO2) 형태로 되어 있으며, 감마선과 중성자선 지수가 낮다. 러시아에서 개발한 RTG에는 90Sr이 들어가는데, 에너지 밀도도 낮고 감마선을 방출하지만 플루토늄-238보다 가격이 싸다.

물질차폐 요구 사항전력 밀도(W/g)반감기(년)
238Pu낮음0.5487.7
90Sr높음0.9528.8
210Po낮음1400.378
241Am중간0.114432

238Pu은 반감기가 87.7년이고, 출력 밀도가 0.57 W/g로 적절하며,[36] 감마선 및 중성자 방사선 수치가 매우 낮다.

4. 2. 주요 연료

RTG영어에 사용되는 방사성 동위원소는 다음과 같은 특징을 가져야 한다. 우선 반감기가 길어야 에너지를 안정적으로 오래 생산할 수 있고, 또한 충분한 열을 생산할 수 있을 만큼 반감기가 짧아야 한다. 우주에서 사용할 경우, 에너지 밀도가 높아야 하지만, 지상에서 사용되어 크기 제한이 없다면 에너지 밀도나 무게는 중요하지 않다. 또한, 방사성 동위원소는 침투력이 약한 알파선을 방출해야 하며, 베타선을 방출하면 제동복사에 의해 X선을 방출하여 무거운 차폐 장치가 필요하게 된다. 감마선이나 중성자선이 나오지 않아야 하며, 붕괴 후 생성 물질에서 방사능이 나와서도 안 된다.[35]

대부분의 RTG영어는 238Pu을 사용하는데, 반감기가 87.7년으로 길고, 2.5mm의 납으로 차폐가 가능하여 널리 쓰인다. 러시아에서 개발한 RTG영어에는 90Sr이 사용되는데, 에너지 밀도가 낮고 감마선을 방출하지만 플루토늄-238보다 가격이 저렴하다는 장점이 있다.[6]

물질차폐 요구 사항전력 밀도(W/g)반감기(년)
238Pu낮음0.5487.7
90Sr높음0.9528.8
210Po낮음1400.378
241Am중간0.114432


  • '''플루토늄-238''' (238Pu): 반감기가 87.7년이고, 출력 밀도가 0.57W/g이며,[36] 감마선 및 중성자 방사선 수치가 매우 낮다. 차폐 요구 사항이 가장 낮아, 2.5mm 미만의 납 차폐재만 필요하다. 많은 경우 케이스 자체가 차폐 역할을 하므로 추가 차폐가 필요 없다. 플루토늄(IV) 산화물(PuO2) 형태로 RTG영어에 가장 널리 사용되는 연료이다.[37]

  • '''스트론튬-90''' (90Sr): 소련에서 지상용 RTG영어에 사용되었다. 90Sr은 베타 붕괴를 통해 90Y으로 붕괴하며, 90Y 역시 베타 붕괴를 한다. 238Pu보다 붕괴 에너지는 낮지만, 반감기가 28.8년으로 짧고 원자량이 낮아 순수 금속의 전력 밀도는 0.95W/g이다.[42] 핵분열 생성물에서 추출할 경우 비교적 저렴하게 대량으로 얻을 수 있다.[42]

  • '''폴로늄-210''' (210Po): 1958년 미국 원자력 위원회에서 제작한 초기 RTG영어 중 일부에 사용되었다. 높은 붕괴율로 인해 엄청난 전력 밀도(순수 210Po는 140W/g 방출)를 제공하지만, 반감기가 138일로 매우 짧아 사용이 제한적이다. 0.5g의 210Po 샘플은 500°C 이상의 온도를 낸다.[43]

  • '''아메리슘-241''' (241Am): 238Pu보다 반감기가 432년으로 훨씬 길어 수 세기 동안 장치에 전력을 공급할 수 있다. 241Am의 전력 밀도는 238Pu의 1/4에 불과하며, 붕괴 연쇄 생성물을 통해 238Pu보다 더 많은 침투 방사선을 생성하여 더 많은 차폐가 필요하다. 현재 전 세계적으로 238Pu가 부족하여,[45] 241Am은 유럽 우주국(ESA)에서 RTG영어 연료로 연구되고 있다.[44][46]

  • '''큐륨-250''' (250Cm): 자발 핵분열로 주로 붕괴되는 가장 낮은 원자 번호를 가진 동위원소이며, 알파 붕괴보다 훨씬 많은 에너지를 방출한다. 플루토늄-238과 비교했을 때, 큐륨-250은 전력 밀도는 약 1/4 수준이지만, 반감기는 95배 더 길다(약 8300년 vs 약 87년).

5. 안전성

RTG는 포함된 방사성 물질로 인해 위험하며 악의적인 목적으로 사용될 수도 있다. 핵무기에는 쓸모가 없지만, "더티 밤"으로는 사용할 수 있다. 소련은 스트론튬-90(90Sr)을 사용하여 RTG로 전력을 공급하는 많은 무인 등대와 항로 표지 시설을 건설했다. 이들은 매우 신뢰할 수 있으며 꾸준한 전원을 공급하지만, 대부분 보호 장치가 없고 기록 보관 부실로 인해 일부 시설의 위치는 더 이상 알려져 있지 않다.[10] 조지아 트잘렌지히카 지역의 세 명의 벌목꾼이 차폐재가 제거된 RTG 고아원 방사선원을 발견하여 방사선 화상을 입기도 했다.[51] 러시아에는 약 1,000개의 RTG가 있으며, 이들 모두는 설계 수명인 10년을 훨씬 초과하여 해체가 필요할 수 있다. 방사성 오염 위험에도 불구하고 일부 금속 케이스가 금속 사냥꾼에 의해 벗겨지기도 했다.[52]

RTG에 사용되는 열원의 모식도


RTG와 원자로는 완전히 다른 핵 반응을 이용한다. 원자로는 제어된 핵분열 에너지를 이용한다. 우라늄-235나 플루토늄-239의 원자가 분열하면 중성자가 방출되고, 이것이 방아쇠가 되어 중성자 흡수제로 제어된 속도의 연쇄 반응으로 추가 핵분열을 일으킨다. 수요에 따라 출력을 변경할 수 있고 관리를 위해 완전히 정지할 수 있다는 장점이 있지만, 위험한 고출력에서의 폭주가 일어나지 않도록 유지 보수가 필요하다는 단점이 있다.

RTG에서는 연쇄 반응이 일어나지 않으며, 동위원소의 양과 그 반감기에만 의존하는, 완전히 예측 가능하고 안정적으로 감소하는 속도로 열이 생산된다. 사고로 인한 폭주는 원리적으로 일어날 수 없다. 한편, 열 생산량을 수요에 따라 변화시킬 수 없고, 불필요할 때에도 정지할 수 없다. 과잉 수요 시에는 축전지 등의 보조적인 전원 공급이 필요하며, 발사 전이나 초기 비행 단계를 포함한 모든 단계에서 적절한 냉각이 필요하다.

플루토늄-238은 핵 확산의 위험이 없다. 높은 출력으로 인해 RTG 연료로 적합하지만, 핵무기에는 사용할 수 없다.

5. 1. 방사능 오염 위험

RTG(방사성동위원소 열전기 발전기)는 방사능 오염의 위험을 수반한다. 연료를 담는 용기가 손상되면 방사성 물질이 누출되어 환경을 오염시킬 수 있다. 특히 우주선 발사 또는 지구 재진입 시 사고가 발생하면 방사성 물질이 대기 중으로 방출될 수 있어, 우주선 등에서의 RTG 사용은 논란의 대상이 되고 있다.[53][54]

1997년 발사된 카시니-호이겐스 탐사선의 환경 영향 연구에서는 임무의 다양한 단계에서 오염 사고 발생 확률을 추정했다. 발사 후 처음 3.5분 동안 RTG 또는 방사성 동위원소 히터에서 방사성 물질이 방출될 확률은 1/1,400, 궤도 진입 후 방출 가능성은 1/476, 이후에는 100만 분의 1 미만으로 급격히 감소하는 것으로 추정되었다.[55] 또한, 발사 단계에서 오염을 유발할 수 있는 사고가 발생하더라도 실제로 RTG로 인한 오염이 발생할 확률은 1/10로 추정되었다.[56]

이러한 위험을 최소화하기 위해 RTG 연료는 개별 모듈형 장치에 보관되며, 각 장치는 자체적인 열 차폐 장치를 갖추고 있다. 연료는 이리듐 금속 층으로 둘러싸여 있고, 고강도 흑연 블록으로 보호된다. 흑연 블록 주변은 에어로쉘로 둘러싸여 대기 재진입 시의 열로부터 전체 장치를 보호한다. 플루토늄 연료는 세라믹 형태로 저장되어 증발 및 에어로졸화를 최소화하며, 불용성이 높아 추가적인 안전성을 제공한다.

RTG와 관련된 사고 사례는 다음과 같다.

  • 1964년 4월 21일, 미국의 트랜짓-5BN-3 항법 위성은 궤도 진입에 실패하고 마다가스카르 북쪽에서 재진입하면서 소실되었다.[59] 이 위성에 탑재된 SNAP-9a RTG의 플루토늄 금속 연료(17000Ci)는 남반구 대기 중에 방출되었고, 몇 달 후 해당 지역에서 미량의 플루토늄-238이 검출되었다.
  • 1968년 5월 21일, 님버스 B-1 기상 위성은 궤도가 불안정하여 발사 직후 의도적으로 파괴되었다. 이 위성에 탑재된 SNAP-19 RTG는 비교적 불활성인 이산화 플루토늄을 포함하고 있었으며, 5개월 후 산타 바바라 해협 해저에서 온전하게 회수되었고, 환경 오염은 발견되지 않았다.[60]
  • 1969년, 최초의 루노호트 달 탐사선 발사가 실패하여 러시아의 광범위한 지역에 폴로늄-210이 확산되었다.[61]
  • 1970년 4월, 아폴로 13호 임무 실패로 달 착륙선이 RTG를 탑재한 채 대기권으로 재진입하여 피지 상공에서 소실되었다. 이 착륙선에 탑재된 SNAP-27 RTG는 44500Ci의 이산화 플루토늄을 포함하고 있었으며, 태평양의 통가 해구 6~9km 깊이에 가라앉도록 궤도가 조정되었다. 대기 및 해수 샘플링 결과 오염이 발견되지 않아 용기가 해저에서 온전하다는 가정이 확인되었다.
  • 1996년, 러시아의 마르스 96호는 지구 궤도를 벗어나지 못하고 대기권으로 재진입했다. 이 우주선에 탑재된 두 개의 RTG는 총 200g의 플루토늄을 포함하고 있으며, 현재 칠레 이키케 인근 해역에 위치한 것으로 추정된다.[62]


소련은 등대 및 신호소에 전력을 공급하기 위해 많은 베타-M RTG를 건설했다. 이 RTG들은 고아 방사선원이 되어 문제가 되고 있다. 일부는 불법적으로 해체되거나, 설계 결함 또는 물리적 손상으로 인해 방사성 물질이 노출되기도 했다. 미국 국방부는 이러한 베타-M RTG의 물질이 테러리스트에 의해 더티 밤 제조에 사용될 수 있다는 우려를 표명했다.[10]

5. 2. 안전 대책

RTG(방사성 동위원소 열전기 발전기)는 방사능 오염의 위험을 내포하고 있어, 연료를 담는 격납 용기가 파손될 경우 방사성 물질이 유출될 수 있다. 특히 우주선 발사나 지구 귀환 시 사고가 발생하면 유해 물질이 대기 중으로 방출될 수 있어 논란이 되고 있다.[81][82]

RTG에 사용되는 플루토늄-238은 반감기가 87.74년으로, 핵무기나 원자로에 사용되는 플루토늄-239보다 짧아 방사능 세기가 훨씬 강하다. 알파선은 피부를 투과하지 못하지만, 흡입하거나 섭취하면 인체 내부에서 방사선을 방출하여 위험하다.

이러한 위험을 줄이기 위해 RTG 연료는 여러 겹의 보호 용기에 보관된다. 각 용기는 내열성, 내충격성, 내부식성이 뛰어난 재료로 제작된다. 예를 들어, 연료는 이리듐 층으로 둘러싸여 있으며, 고강도 흑연 덮개로 덮여 있다. 흑연 용기는 대기권 재진입 시의 열에 견딜 수 있도록 설계된 에어로졸로 감싸인다. 또한 플루토늄 연료는 세라믹 형태로 제작되어 증발 및 에어로졸화를 최소화하고, 불용성이 높아 환경 오염 가능성을 줄인다.

과거 RTG를 탑재한 우주선에서 몇 건의 사고가 발생한 적이 있다.

발생 일자사고 내용비고
1964년 4월 21일미국의 항행 위성 트랜짓 5BN-3가 궤도 진입에 실패하여 마다가스카르 북부에서 타버림금속 플루토늄 연료가 대기 중에 흩어짐[87][88]
1968년 5월 21일반덴버그 공군 기지에서 발사된 기상 위성 님버스 B-1이 발사 직후 궤도를 이탈하여 파괴이산화 플루토늄 연료는 산타바바라 해협 해저에서 회수되어 환경 오염은 없었음[89]
1970년 4월아폴로 13호의 달 착륙선이 피지 상공에서 대기권에 재진입하여 통가 해구에 추락이산화 플루토늄을 담은 캐스크는 설계대로 해저에 가라앉아 오염이 발생하지 않음



국제원자력기구(IAEA) 등 국제기구는 RTG 안전 기준을 마련하고, 사고 발생 시 대응 체계를 구축하고 있다.

5. 3. 사고 사례

다음은 방사성동위원소 열전기 발전기(RTG)와 관련된 사고 사례이다.

  • 1964년 4월 21일, 미국의 트랜짓-5BN-3 위성이 궤도 진입에 실패하고 마다가스카르 북쪽에서 재진입하면서 소실되었다.[59] 이 위성에 탑재된 SNAP-9a RTG의 플루토늄 금속 연료는 남반구 대기 중에 연소되었고, 몇 달 후 해당 지역에서 플루토늄-238 미량이 검출되었다.
  • 1968년 5월 21일, 님버스 B-1 기상 위성은 궤도가 불안정하여 발사체가 의도적으로 파괴되었다. 이 위성에 탑재된 SNAP-19 RTG는 비교적 불활성인 이산화 플루토늄을 포함하고 있었으며, 5개월 후 산타바바라 해협 해저에서 온전하게 회수되었고 환경 오염은 검출되지 않았다.[60]
  • 1969년, 최초의 루노호트 달 탐사선 발사가 실패하여 러시아의 광범위한 지역에 폴로늄-210이 확산되었다.[61]
  • 1970년 4월, 아폴로 13호 임무 실패로 아폴로 달 착륙선이 RTG를 탑재한 채 대기권으로 재진입하여 피지 상공에서 소실되었다. 착륙선 다리에 장착된 흑연 용기에 이산화 플루토늄을 포함하는 SNAP-27 RTG는 설계된 대로 지구 대기권 재진입을 견뎌냈고, 궤도는 태평양의 통가 해구에서 6~9km 깊이의 물속으로 떨어지도록 조정되었다. 대기 및 해수 샘플링에서 플루토늄-238 오염이 없다는 것은 용기가 해저에서 온전하다는 가정을 확인해 주었다.
  • 1996년, 러시아의 화성 96호 탐사선은 발사에 실패하여 지구 궤도를 벗어나지 못하고 몇 시간 후에 대기권으로 재진입했다. 탑재된 두 개의 RTG는 총 200g의 플루토늄을 탑재하고 있으며, 설계된 대로 재진입을 견뎌낸 것으로 추정된다. 현재는 칠레 이키케에서 동쪽으로 32km 떨어진 지점을 중심으로 하는 길이 320km, 너비 80km의 타원형 영역 어딘가에 위치해 있는 것으로 여겨진다.[62]


소련은 등대 및 신호소에 전력을 공급하기 위해 많은 베타-M RTG를 생산했는데, 이들 중 일부는 고아 방사선원이 되었다. 일부는 불법적으로 고철로 해체되거나, 설계 결함 또는 물리적 손상으로 인해 차폐가 불량해지는 문제가 발생했다. 미국 국방부의 협력적 위협 감소 프로그램은 베타-M RTG의 물질이 테러리스트에 의해 더티 밤 제조에 사용될 수 있다는 우려를 표명했다.[10]

6. 개발 동향

플루토늄]-238]의 공급 부족으로 인해 새로운 RTG 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히,

6. 1. 새로운 RTG 기술

플루토늄-238의 부족으로 인해, 새로운 종류의 RTG가 제안되고 있다.

  • '''임계 미만 반응 보조 RTG''': 이 RTG에서는 방사성 동위원소의 알파 붕괴가 베릴륨과 같은 적절한 원소와의 알파-중성자 반응에도 사용된다.[16] 이러한 방식으로 장수명의 중성자원이 생성된다. 시스템이 1보다 작지만 가까운 임계도, 즉 Keff < 1로 작동하기 때문에, 임계 미만 증폭이 달성되어 중성자 배경을 증가시키고 핵분열 반응으로부터 에너지를 생성한다. RTG에서 생성되는 핵분열 수는 매우 적지만(감마 방사선이 무시할 수 있게 됨), 각 핵분열 반응이 각 알파 붕괴보다 30배 이상 많은 에너지를 방출하기 때문에(200MeV 대 6MeV), 최대 10%의 에너지 이득을 얻을 수 있으며, 이는 임무 당 필요한 238Pu의 감소로 이어진다.[17]

  • '''방사성 동위원소 전기 추진 (REP)''': RTG 전기를 사용하여 이온 엔진에 전력을 공급하는 방식이다.[19]

  • '''자기 유도 정전기장 기반 전력 향상''': 베타 소스를 이용하여 전력 효율을 5-10% 향상시킬 수 있다.[21]


미국 항공 우주국(NASA)과 미국 에너지부는 스털링 엔진과 선형 교류 발전기를 조합하여 열을 전기로 변환하는 스털링 방사성 동위원소 발전기(ASRG)라고 불리는 차세대 방사성 동위원소 연료 전원을 개발했다. ASRG의 시제품의 평균 효율은 23%였지만, 발전기의 열단과 냉단의 온도 비를 늘리면 효율이 더욱 개선되었다. 무접촉 가동부와 비열화 굴곡 베어링의 사용과 밀폐 환경으로 인해, 시험에서는 수년의 운용에도 열화가 없었다. 실험 결과, ASRG는 유지 보수 없이 수십 년 동안 전원을 공급할 수 있다는 것이 나타났다.

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