원자력 전지
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
원자력 전지는 핵 붕괴 과정에서 발생하는 에너지를 전기로 변환하는 장치로, 우주 탐사, 의료 기기, 외딴 지역의 전원 등 다양한 분야에 활용된다. 1961년 최초로 우주선에 탑재되었으며, RTG(방사성 동위원소 열전 발전기)와 베타전지 등 여러 방식으로 나뉜다. RTG는 열을 전기로 변환하며, 베타전지는 핵 붕괴 시 방출되는 베타 입자를 이용한다. 원자력 전지는 긴 수명과 높은 에너지 밀도를 장점으로 가지지만, 방사성 물질 사용에 따른 안전 문제와 규제, 그리고 플루토늄 등 특정 물질의 생산 제한이 한계로 지적된다.
더 읽어볼만한 페이지
- 전지 유형 - 알칼리 전지
알칼리 전지는 아연 음극, 이산화망간 양극, 수산화칼륨 전해질로 구성된 일차 전지로, 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 널리 사용되지만 충전이 불가능하고 누액 및 환경 문제로 적절한 폐기가 필요하며 다양한 크기와 형태로 생산된다. - 전지 유형 - 다니엘 전지
다니엘 전지는 1836년 존 다니엘이 발명한 전지로서, 구리 및 아연 전극을 황산염 용액에 담가 화학 반응을 통해 전류를 생성하며, 다공성 장벽 또는 염다리를 사용하여 두 용액을 분리한다. - 발전기 - 열전 발전기
열전 발전기는 온도 차이를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 제베크 효과와 펠티에 효과를 이용하며, 텔루르화비스무트, 텔루르화납 등의 반도체 재료가 사용되고, 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이다. - 발전기 - 밴더그래프 발전기
밴더그래프 발전기는 정전기를 활용하여 고전압을 생성하는 장치로, 마찰전기를 통해 전하를 축적하며 핵물리학 연구에서 입자 가속을 위한 고전압 공급원으로 사용된다. - 핵기술 - 원자로
원자로는 제어된 핵분열을 통해 열에너지를 생산하여 전기 생산, 추진 동력원, 연구 등에 활용되며, 핵분열 연쇄 반응을 제어봉과 감속재로 조절하고, 원자력 안전과 미래 기술 개발이 중요한 과제이다. - 핵기술 - 핵무기 설계
핵무기 설계는 핵분열 및 핵융합 반응을 이용하여 막대한 에너지를 방출하는 핵무기를 설계하는 복잡한 과정으로, 핵분열성 물질의 임계 질량을 초임계 질량으로 신속하게 조립하는 다양한 방식과 고급 기술이 적용되며, 효율성 증대 및 안전성 확보, 방사능 낙진 최소화 등의 기술적·공학적 도전 과제들이 존재한다.
| 원자력 전지 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 방사성 동위 원소 전지 |
| 에너지원 | 방사성 동위 원소 |
| 용도 | 특수 목적 (장기간 작동, 극한 환경) |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 방사성 동위 원소의 방사성 붕괴 에너지를 전기 에너지로 변환 |
| 변환 방식 | 열전 효과 (RTG) 대전 효과 (직접 전하 생성) 광전 효과 (광자 변환) |
| 종류 | |
| 열전 발전기 (RTG) | 열전 효과를 이용하여 열에너지를 전기로 변환 |
| 알파 전지 | 알파 입자의 대전 효과 이용 |
| 베타 전지 | 베타 입자의 대전 효과 이용 |
| 광전 전지 | 광전 효과를 이용하여 방사선을 빛으로 변환 후 전기로 변환 |
| 장단점 | |
| 장점 | 높은 에너지 밀도 긴 수명 극한 환경에서의 작동 가능 |
| 단점 | 높은 비용 방사선 차폐 필요 낮은 효율 (일부 유형) |
| 활용 분야 | |
| 심해 장비 | 심해 탐사 장비의 전원 |
| 우주 탐사선 | 우주 탐사선의 전원 (예: 보이저 계획, 카시니-하위헌스) |
| 군사 장비 | 특수 군사 장비의 전원 |
| 의료 기기 | 심박 조율기 (과거) |
| 오지 전력 공급 | 외딴 지역의 전력 공급 |
| 안전성 | |
| 방사선 차폐 | 방사선 누출 방지를 위한 차폐 기술 적용 |
| 사고 대비 | 사고 발생 시 방사성 물질 확산 방지 대책 마련 |
| 사용 후 처리 | 사용 후 방사성 폐기물 처리 문제 |
| 미래 전망 | |
| 소형화 | MEMS 기술을 이용한 소형 원자력 전지 개발 |
| 고효율화 | 새로운 에너지 변환 기술 개발을 통한 효율 향상 |
| 신소재 개발 | 방사선 내성 및 에너지 변환 효율이 높은 신소재 개발 |
2. 역사
우주선용 원자력 전지는 1961년 미국이 발사한 항법위성 트랜짓 4A에 처음 탑재되었다. 이후 미국 항공우주국(NASA)의 달 탐사 계획인 아폴로 프로젝트를 시작으로 보이저 1호, 보이저 2호, 목성 탐사선 갈릴레오, 토성 탐사선 카시니, 명왕성 탐사선 뉴 허라이즌스 등에 쓰였다.[36]
원자력 전지는 크게 핵 붕괴 과정에서 나오는 열을 이용하는 방식과 베타 붕괴로 나오는 베타선을 활용하는 방식으로 나뉜다. 열을 이용하는 방식은 핵 붕괴열을 모터나 열전 소자 등으로 활용하며, 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)가 대표적이다. 베타선을 활용하는 방식은 핵 붕괴 과정에서 나오는 베타 입자를 반도체 접합 부위에서 생기는 전압차를 이용하여 전기를 발전시킨다.
1960년대에는 심장 박동기의 전원으로도 이용되었다.[34]
3. 원리
최근에는 원자력 발전소에서 발생하는 탄소를 다이아몬드화 시켜 사용하려는 전지 기술도 연구 중이다.
베타선을 방출하는 대표적인 방사성동위원소에는 니켈-63(Ni-63), 스트론튬-90(Sr-90), 삼중 수소(H-3)가 있다. 이들은 각각 100.1년, 28.8년, 12.3년의 반감기를 가지며, 방사성동위원소가 내뿜는 베타선(전자)을 반도체에 충돌시켜 전력을 생산한다. 한국에서는 원자력 전지를 "베타 전지"라고도 부른다.
2019년 1월, 러시아 국영 연료회사인 TVEL은 가스원심분리기로 니켈-63(Ni-63)을 69% 이상 농축시켜 50년간 사용 가능한 소형 원자력 전지 개발에 성공했다고 발표했다. 이 전지는 인체 삽입 의료용으로 개발되었으며, 향후 무선통신장비용으로도 개발될 계획이다.
베타전지는 방사선 걱정이 거의 없다. 전지에서 나오는 β선 에너지는 매우 미약하여 피부를 투과할 수 없을 정도이며, 종이 한 장으로도 방사선 차폐가 가능하다.
2007년 한국원자력연구원(KAERI)은 국내 처음으로 방사성동위원소를 이용한 초기 수준의 베타전지 연구 결과를 발표했으며, 2017년 6월에는 KAERI와 한국전자통신연구원(ETRI), 대구테크노파크 나노융합실용화센터가 50년 이상 자체 전력 생산이 가능한 베타전지 시제품을 제작했다.
3. 1. 열 변환 방식
원자력 전지는 핵 붕괴 과정에서 나오는 열을 이용하는 방식으로, '''방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)'''라고도 불린다. 방사성 핵종의 원자핵 붕괴 시 발생하는 에너지를 열로 이용하고, 열전 변환 소자로 전력으로 변환한다.[7] 실용화된 원자력 전지에는 알파 붕괴를 일으키는 핵종인 플루토늄-238이나 폴로늄-210, 스트론튬-90 등이 사용되며, 방출된 알파선이 물질에 흡수되어 생긴 열을 이용한다. 현재 주로 사용되는 플루토늄-238은 생산량이 적고, 앞으로 안정적으로 확보하지 못할 우려가 있어 대체재로 아메리슘-241(반감기 432.6년)이 검토되고 있다.
열전자 변환기는 열전자 방출을 통해 뜨거운 전극에서 더 차가운 전극으로 전자를 이동시켜 유용한 전력을 생산한다. 세슘 증기는 전극의 일함수를 최적화하고 전자 공간 전하를 중화하기 위해 이온 공급원(표면 이온화에 의해)을 제공하는 데 사용된다.
방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)는 열전쌍을 사용한다. 각 열전쌍은 서로 다른 금속(또는 다른 재료)의 두 전선으로 형성된다. 각 전선의 길이를 따라 온도 구배가 발생하면 전선의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 전압 구배가 생성된다. 그러나 서로 다른 재료는 온도 차이 1도당 다른 전압을 생성한다. 한쪽 끝에서 전선을 연결하고, 해당 끝을 가열하지만 다른 쪽 끝을 냉각시키면 연결되지 않은 전선 끝단 사이에서 사용할 수 있지만 작은 (밀리볼트) 전압이 생성된다. 금속 열전쌍은 낮은 열-전기 변환 효율을 갖는다. 그러나 비스무트 텔루라이드 및 실리콘 게르마늄과 같은 반도체 재료에서는 캐리어 밀도와 전하를 조정하여 훨씬 더 높은 변환 효율을 얻을 수 있다.
열광전변환(TPV) 전지는 광전지와 동일한 원리로 작동하며, 뜨거운 표면에서 방출되는 적외선을 전기로 변환한다는 점만 다르다 (가시광선 대신). 열광전변환 전지는 열전쌍보다 효율이 약간 더 높으며, 열전쌍 위에 겹쳐서 효율을 잠재적으로 두 배로 높일 수 있다. 휴스턴 대학교의 TPV 방사성 동위원소 전력 변환 기술 개발 노력은 열광전변환 전지를 열전쌍과 동시에 결합하여 현재의 열전 방사성 동위원소 발전기에 비해 시스템 효율을 3~4배 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.
스털링 방사성 동위원소 발전기는 방사성 동위원소에 의해 생성된 온도차에 의해 구동되는 스털링 엔진이다. 미국 항공우주국(NASA)에서 보다 효율적인 버전인 첨단 스털링 방사성 동위원소 발전기를 개발했지만, 2013년 대규모 비용 초과로 인해 취소되었다.[8]3. 2. 비열 변환 방식
비열 변환 방식의 원자력 전지는 방출된 복사 에너지가 열로 변환되기 전에 에너지를 추출한다. 출력은 온도 차이에 의존하지 않으며, 사용되는 입자의 유형과 에너지 변환 메커니즘에 따라 분류할 수 있다.
에너지는 방출된 하전 입자의 전하가 전기 전도체 내에 축적되어 전위를 생성할 때 추출할 수 있다. 축적된 전기 위치 에너지는 사용 가능한 전기로 전환될 수 있다.
4. 대한민국 현황
한국원자력연구원(KAERI)은 2007년에 국내에서 처음으로 방사성동위원소를 이용한 초기 수준의 베타전지 연구 결과를 발표했다.[1]
2017년 6월, 한국원자력연구원과 한국전자통신연구원(ETRI), 대구테크노파크 나노융합실용화센터는 50년 이상 자체 전력 생산이 가능한 베타전지 시제품을 제작했다.[2]
5. 러시아 현황
2019년 1월 22일, IT 전문 매체 기즈모도는 러시아가 50년간 사용 가능한 소형 원자력 전지 개발에 성공했다고 보도했다.[1] 개발사는 러시아 국영 연료회사인 TVEL이다.[1] TVEL은 가스원심분리기로 원자력 전지의 에너지원인 니켈63(Ni-63)을 69% 이상 농축시키는데 성공했으며, 2019년까지 80%로 농축할 것이라고 밝혔다.[1] 전력이 매우 낮아 인체에 삽입하는 의료용으로 개발되었으며, 향후 무선통신장비용으로도 개발할 계획이다.[1]
6. 활용 분야
원자력 전지는 방사성 동위원소의 붕괴 에너지를 이용해 전기를 생산하는 장치로, 수명이 길다는 장점이 있다. 이러한 특성 덕분에 우주 탐사, 의료, 군사 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
원자력 전지는 크게 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)와 베타전지로 나뉜다. RTG는 열전쌍을 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 방식이고, 베타전지는 반도체 접합을 이용하여 베타 입자(전자)로부터 전기에너지를 얻는 방식이다.
RTG는 주로 우주 탐사선에, 베타전지는 이식형 의료 기기나 군사용, 우주용 저전력 장치에 사용된다. 특히 베타전지는 방사선 위험이 적어 인체 삽입형 의료 기기에도 활용될 가능성이 높다.
한국에서는 한국원자력연구원(KAERI), 한국전자통신연구원(ETRI) 등에서 베타전지 연구 개발을 진행하고 있다. 러시아와 중국에서도 관련 기술 개발이 이루어지고 있다.
6. 1. 우주 탐사
우주선용 원자력 전지는 1961년 미국이 발사한 항법위성 트랜짓 4A에 처음 탑재되었다. 이후 미국 항공우주국(NASA)의 달 탐사 계획인 아폴로 프로젝트를 시작으로 보이저 1호, 보이저 2호, 목성 탐사선 갈릴레오, 토성 탐사선 카시니, 명왕성 탐사선 뉴 허라이즌스 등에 쓰였다.우주 탐사선의 경우 소행성대까지는 태양광 방사량도 충분하므로, 소행성대보다 안쪽에서만 활동하는 탐사선의 전원에는 태양 전지가 사용되어 왔다. 반면, 그보다 바깥에서 활동하는 탐사선의 경우, 태양으로부터의 빛이 약할 뿐만 아니라 목표 도달에 긴 시간[39]이 걸리므로 원자력 전지가 우선적으로 채택되어 왔다. 그러나 태양 전지의 성능 향상으로, 목성 궤도 정도라면 원자력 전지를 태양 전지로 대체하는 것도 가능하게 되었다.
원자력 전지는 파이오니아 10호・11호와 보이저 1호・2호 외에, 목성 탐사선 갈릴레오와 토성 탐사선 카시니 등에 사용되었다. 2006년 1월에 발사된 NASA의 명왕성 탐사선 뉴 호라이즌스에도 원자력 전지가 탑재되어 있다. 이러한 외행성 탐사선뿐만 아니라, 태양 탐사선 율리시스도 태양의 극 궤도(지구 등의 공전면에 수직에 가까운 궤도)에 투입하기 위해 목성을 이용한 스윙바이를 수행할 필요가 있었기 때문에, 목성 부근에서의 활동에 지장이 없도록, 또한 태양 접근을 위한 초고온에 의한 영향을 회피하기 위해 원자력 전지를 탑재했다.
NASA의 화성 탐사선은 한때 태양 전지를 탑재했지만, 장기간 운용하면 먼지 부착으로 인해 발전량이 저하되어 작동하지 않게 되는 경우가 있었기 때문에, 2011년에 발사된 큐리오시티 이후 원자력 전지를 탑재하고 있다.
2011년에 발사된 목성 탐사선 주노는, 목성 이전을 목표로 하는 탐사선으로 처음으로 원자력 전지를 사용하지 않고, 대신 대형 태양 전지를 탑재했다[40]。이후 발사된 루시와 JUICE도 모두 태양 전지를 갖추고 있다.
원자력 전지는 수명이 길기 때문에, 발사 후 40년 이상 지난 보이저 1호와 보이저 2호는 태양권 밖으로 향하고 있으며, 현재도 여전히 성간 공간의 탐사・관측 미션을 속행하고 있다(파이오니아 10호는 2003년에, 파이오니아 11호는 1995년에 통신 두절).
그 외에 원자력 전지를 탑재한 위성은, 화성 탐사선 바이킹 1호 랜드와 바이킹 2호 랜드, 마스 사이언스 랩이 있다. 달 탐사를 수행한 아폴로 12호부터 아폴로 17호의 달 착륙선에는, 달 표면에 설치해 온 아폴로 달 표면 실험 패키지 (ALSEP)용 전원으로 RTG가 탑재되었다. 아폴로 13호는 사고로 인해 달 착륙을 단념하고 지구로 귀환했지만, 그 당시 달 착륙선을 동반한 채 지구 대기권에 돌입하게 되었으므로, 탑재하고 있던 RTG(3.8kg의 플루토늄 238을 봉입한 SNAP-27)는 남태평양의 통가 해구 수심 약 6500m의 해저에 침몰했다. 주변에서 방사선은 검출되지 않았으므로, RTG는 파손되지 않고 침몰해 있는 것으로 생각된다.
지구 궤도를 회전하는 인공 위성에 탑재된 예로서는, 1961년 6월의 Transit-4A가 최초의 탑재 예이며, SNAP(Systems for Nuclear Auxiliary Power)-3B를 탑재했다. 그 외, Transit-5BN1/2, 기상 위성 님버스 B-1, LES-8호, LES-9호(LES-8,9는 정지 위성)에도 탑재되었다[38]。
Transit-5BN1/2는, 1964년 4월 21일에 발사되었지만, 궤도 진입에 실패하여 마다가스카르의 북쪽에서 대기권에 재돌입하여 RTG도 파괴되었고, 대기권 상층에 확산되었다. 수개월 후에는 방출된 플루토늄 238이 검출되었다. 님버스 B-1은 1968년 5월 21일 발사 시에 비행 궤적에서 이탈했으므로 명령 파괴되었지만, 탑재하고 있던 RTG는 5개월 후에 무사히 해저에서 회수되었다. 이러한 초기 실패를 교훈 삼아, 현재의 행성 탐사선에서는 발사에 실패하여 대기권에 돌입하더라도 플루토늄이 방출되지 않도록 설계가 이루어지고 있다.
6. 2. 의료
베타전지는 이식형 의료 기기나 군사 및 우주 응용 분야와 같이 에너지원의 긴 수명이 필요한 저전력 전기 응용 분야에 특히 적합하다.[12]
실험적으로 플루토늄 238을 사용한 원자력 전지는 긴 수명을 활용하여 한때 매립형 심장 박동기 전원으로 사용되었으나, 현재는 리튬 전지가 사용되고 있다. 체내 이식을 염두에 두고 니켈 63을 에너지원으로 하고 MEMS 기술을 이용한 신세대 마이크로 원자력 전지 개발이 진행되고 있지만,[44] 플루토늄 민수용 사용에는 기술적·정치적 제약이 있어 실용화 전망은 보이지 않는다. 어떤 방식이든 체내 이식 후 파손될 경우 내부 피폭, 중금속에 의한 금속 중독 위험 등이 고려될 수 있다.
1970년 메드트로닉(Medtronic)과 알카텔(Alcatel)은 2.5 Ci의 플루토늄 238을 사용한 플루토늄 전원 심장 박동기인 Numec NU-5를 개발하여 인간 환자에게 이식했다. 1970년대 이식된 139개의 Numec NU-5 핵 심장 박동기는 5~10년마다 배터리 수술을 받아야 하는 비핵 심장 박동기와 달리 교체가 필요 없을 것으로 예상되었다. 플루토늄 "배터리"는 플루토늄-238의 88년 반감기보다 더 오래 회로를 구동할 수 있는 충분한 전력을 생산할 것으로 예상되었다.[26][27][28][29]
이러한 장치의 마지막 이식은 1988년에 이루어졌는데, 방사선 문제와 규제 장벽의 단점 없이 10년 이상의 예상 수명을 가진 리튬 전원 심장 박동기가 이를 구식으로 만들었기 때문이다. 베타전지 배터리 또한 무연 심장 박동기의 장기간 전원으로 고려되고 있다.[30]
2024년 1월, 중국 스타트업 베타볼트(Betavolt)는 미니어처 장치를 파일럿 테스트 단계에 있다고 발표했다.[13] 이 장치는 100 마이크로와트 전력과 3V 전압을 생성하며, 충전이나 유지 보수 없이 50년 수명을 가진다고 한다.[13] 베타볼트는 이를 개발된 최초의 미니어처 장치라고 주장한다.[13] 이 장치는 매우 작은 동전 크기 모듈에 담긴 니켈-63 동위 원소에서 에너지를 얻는다.[14] 니켈-63은 소모되면서 안정적이고 방사성이 없는 구리 동위 원소로 분해되어 환경 위협이 없다.[14] 이 장치는 두 개의 얇은 결정질 다이아몬드 반도체 층 사이에 샌드위치된 베타 입자 전자를 제공하는 얇은 니켈-63 웨이퍼를 포함한다.[15][16]
6. 3. 기타
원자력 전지는 한국에서 "베타 전지"라고도 불린다. 베타 전지는 니켈63, 스트론튬90(sr-90), 트리튬3(H-3) 등의 방사성동위원소 붕괴로 발생되는 베타선 전자를 반도체에 충돌시키는 방법으로 전기를 생산한다.2019년 1월 22일, IT 전문 매체 기즈모도는 러시아가 50년간 사용 가능한 소형 전지 개발에 성공했다고 보도했다. 이 소형 전지는 원자력을 이용한 전지다. 전지 개발사는 러시아 국영 연료회사인 TVEL이다. TVEL은 가스원심분리기로 원자력 전지의 에너지원인 니켈63(Ni-63)을 69% 이상 농축시키는데 성공했으며, 2019년까지 80%로 농축할 것이라고 밝혔다. 전력이 매우 낮아 인체에 삽입하는 의료용으로 개발되었으며, 향후 무선통신장비용으로도 개발할 계획이다.
베타전지는 방사선 걱정이 없다. 전지에서 나오는 β선 에너지는 매우 미약해 피부를 투과할 수도 없기 때문이다. 종이 한장으로도 방사선 차폐가 가능해 일반 전지처럼 얇은 포장재로 밀봉하면 된다.
2007년, 한국원자력연구원(KAERI)은 국내 처음으로 방사성동위원소를 이용한 초기 수준의 베타전지 연구 결과를 발표했다.
2017년 6월, KAERI와 한국전자통신연구원(ETRI), 대구테크노파크 나노융합실용화센터는 50년 이상 자체 전력 생산이 가능한 베타전지 시제품을 제작했다.
미세 전자기계 시스템(MEMS) 분야에서 위스콘신 대학교-매디슨의 원자력 공학자들은 폴로늄이나 큐륨과 같은 물질의 방사성 핵종을 이용하여 전기를 생산하는 미세 배터리 생산 가능성을 연구해 왔다. 통합된 자가 전원 응용의 예로, 연구자들은 재충전 없이 매우 오랜 기간 동안 지속적이고 주기적인 진동이 가능한 진동 캔틸레버 빔을 만들었다. 현재 진행 중인 연구는 이 캔틸레버가 무선으로 서로 통신할 수 있도록 MEMS 장치가 통신할 수 있도록 하는 무선 주파수 전송이 가능하다는 것을 보여준다.
이러한 마이크로 배터리는 매우 가볍고 MEMS 장치에 전원을 공급하고 더 나아가 나노 장치에 전원을 공급할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 제공한다. 방출된 방사선 에너지는 전기에너지로 변환되며, 이는 프로세서와 이를 에너지로 공급하는 마이크로 배터리가 포함된 장치 영역으로 제한된다.[33]
발전소에서 멀리 떨어진 외딴 지역의 전원으로서 이용된 예가 있다.[41] 시베리아의 북극해 주변에서는 추정 900개의 원자력 전지가 사용되었지만, 1997년경에는 충분한 관리가 되지 않은 채 방치되어 있다.[41]
2023년에는 중국의 베이징 베이타 푸터 신능 과기유한공사(北京貝塔伏特新能科技有限公司)가 15mm x 15mm x 5mm, 전압 3V, 출력 100μW, 수명 50년의 원자력 전지 모듈을 발표했다.[42] 민생용품에 탑재하는 것을 상정한 제품이다.[43]
7. 장점 및 한계
방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)는 열전쌍을 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환한다. 열전쌍은 서로 다른 두 종류의 금속(또는 다른 재료)으로 구성되며, 각 전선에 온도 기울기가 발생하면 전압 기울기가 생성된다. 서로 다른 재료는 온도 차이에 따라 다른 전압을 생성하므로, 한쪽 끝을 가열하고 다른 쪽 끝을 냉각시키면 전압을 얻을 수 있다. 여러 개의 열전쌍을 직렬 또는 병렬로 연결하여 더 큰 전압이나 전류를 얻을 수 있다. 금속 열전쌍은 열-전기 변환 효율이 낮지만, 비스무트 텔루라이드나 실리콘 게르마늄과 같은 반도체 재료를 사용하면 더 높은 변환 효율을 얻을 수 있다.[7]
원자력 전지는 반감기가 긴 방사성 원소[35]의 원자핵 붕괴 시 발생하는 열을 이용하여 전력을 생산하는 물리 전지이다.[36] 반감기가 긴 동위 원소를 사용하므로 수명이 길다는 장점이 있으며, 우주 탐사선의 전원이나 1960년대 심장 박동기의 전원으로 사용되었다.[34]
원자력 전지는 방사성 동위원소를 사용하기 때문에 방사성 물질 확산 위험이 있으며, 특히 발사 시 문제가 발생하면 위험이 커진다. 또한, 플루토늄-238과 같은 방사성 동위원소는 생산량이 적어 안정적인 확보가 어렵다.
1964년 Transit-5BN1/2 발사 실패로 플루토늄-238이 대기 중에 확산되었고, 1968년 님버스 B-1 발사 실패 후에는 RTG가 해저에서 회수되는 등 초기 인공위성 발사 실패 사례를 통해 대기권 재진입 시 방사성 물질 누출 위험성이 제기되었다. 이러한 사건들을 계기로, 현재는 행성 탐사선 발사 실패 시에도 플루토늄이 방출되지 않도록 설계가 개선되었다.
시베리아 북극해 주변 약 900개의 원자력 전지가 외딴 지역 전원으로 사용되었으나, 1997년경 제대로 관리되지 않은 채 방치되어 문제가 되기도 했다.[41]
체내 이식형 심장 박동기에 사용되었던 플루토늄-238 원자력 전지는 긴 수명을 가졌지만, 내부 피폭 및 중금속 중독의 위험성이 있다. 현재는 리튬 전지가 주로 사용되며, 플루토늄을 민수용으로 사용하는 데에는 기술적, 정치적 제약으로 실용화 전망이 불투명하다.
7. 1. 장점
원자력 전지는 반감기가 긴 방사성 원소[35]의 원자핵 붕괴 시 발생하는 열 등을 이용하여 열전 변환 소자 등으로 해당 열을 전력으로 변환하는 물리 전지이다.[36]반감기가 긴 동위 원소를 사용함으로써 수명이 긴 전원을 얻을 수 있다.[37] 장수명을 활용하여 우주 탐사선의 전원으로 이용되고 있다.[36] 1960년대에는 심장 박동기의 전원으로도 이용되었다.[34]
- 긴 수명: 반감기가 긴 동위 원소를 사용하여 수십 년에서 수백 년 동안 전력을 공급할 수 있다.
- 높은 에너지 밀도: 작은 크기에도 불구하고 많은 양의 에너지를 저장하고 방출할 수 있다.
- 신뢰성: 외부 환경(온도, 압력, 충격 등)에 영향을 적게 받고 안정적으로 작동한다.
- 다양한 활용:
- 우주 탐사: 우주 탐사선의 전원으로 활용된다.
- 의료: 과거 심장 박동기의 전원으로 사용되었다.
- 특수 분야: 군사, MEMS 장치 등 극한 환경이나 장기간 전력 공급이 필요한 분야에 사용된다.
- 효율 향상 노력:
- 열광전변환 (TPV) 전지는 광전지와 동일한 원리로 작동하며, 뜨거운 표면에서 방출되는 적외선을 전기로 변환한다. 열광전변환 전지는 열전쌍 위에 겹쳐서 효율을 잠재적으로 두 배로 높일 수 있다. 휴스턴 대학교의 TPV 방사성 동위원소 전력 변환 기술 개발은 열광전변환 전지를 열전쌍과 동시에 결합하여 시스템 효율을 3~4배 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.
- 스털링 방사성 동위원소 발전기는 방사성 동위원소에 의해 생성된 온도차에 의해 구동되는 스털링 엔진이다. 미국 항공우주국(NASA)에서 보다 효율적인 버전인 첨단 스털링 방사성 동위원소 발전기를 개발했지만, 2013년 대규모 비용 초과로 인해 취소되었다.[8]
- 핵심 기술:
- 직접 충전 발전기: 방사성 물질에서 나오는 하전 입자의 전류를 이용한다.
- 전기 기계식 원자력 전지: 두 판 사이의 전하 축적을 이용, 기계적 운동을 압전 재료 등으로 전기로 변환한다.
- 방사선 전지 (RV): 반도체 접합을 사용하여 이온화 방사선의 에너지를 전기로 직접 변환한다.
- 알파볼타 전지: 고에너지 알파 입자를 사용한다.[10][11]
- 베타전지: 고에너지 베타 입자 (전자)를 사용한다.[12] 일반적으로 삼중 수소가 사용된다.
- 감마볼타 전지: 고에너지 감마선을 사용한다.[17][18][19][20]
- 광전 핵전지: 방출된 입자를 방사선 발광 물질을 사용하여 빛으로 변환하고, 광전지를 사용하여 전기로 변환한다.
- 활용 사례:
- 메드트로닉(Medtronic)과 알카텔(Alcatel)은 플루토늄-238을 사용한 핵 전원 심장 박동기 Numec NU-5를 개발했다.[26][27][28][29]
- 베타전지 배터리는 무연 심장 박동기의 장기간 전원으로 고려되고 있다.[30]
- 중국의 스타트업 베타볼트(Betavolt)는 니켈-63을 사용한 미니어처 장치를 개발했다.[13]
- 사용되는 방사성 동위원소:
- 저에너지 베타 입자 방출: 삼중 수소, 니켈-63, 프로메튬-147, 테크네튬-99
- 알파 입자 방출: 플루토늄-238, 큐륨-242, 큐륨-244, 스트론튬-90[31]
7. 2. 한계
원자력 전지는 방사성 동위원소를 사용하므로, 방사성 물질이 주변으로 확산될 위험이 있다. 특히 발사 시 문제가 발생하면 이러한 위험은 더욱 커진다. 또한, 원자력 전지에 사용되는 플루토늄-238과 같은 방사성 동위원소는 생산량이 적어 안정적인 확보가 어려울 수 있다는 단점이 있다.초기 인공위성 발사 실패 사례를 통해, 대기권 재진입 시 방사성 물질이 누출될 위험성이 제기되었다. 1964년 Transit-5BN1/2 발사 실패로 플루토늄-238이 대기 중에 확산되었고, 1968년 님버스 B-1 발사 실패 후에는 RTG가 해저에서 회수되었다. 이러한 사건들을 계기로, 현재는 행성 탐사선 발사 실패 시에도 플루토늄이 방출되지 않도록 설계가 개선되었다.
시베리아의 북극해 주변에서는 약 900개의 원자력 전지가 외딴 지역 전원으로 사용되었으나, 1997년경에는 제대로 관리되지 않은 채 방치되어 문제가 되기도 했다.[41]
체내 이식형 심장 박동기에 사용되었던 플루토늄-238 원자력 전지는 긴 수명을 가졌지만, 내부 피폭 및 중금속 중독의 위험성이 존재한다. 현재는 이러한 용도에 리튬 전지가 주로 사용되며, 플루토늄을 민수용으로 사용하는 데에는 기술적, 정치적 제약이 있어 실용화 전망이 불투명하다.
8. 관련 기술
원자력 전지는 크게 핵 붕괴 과정에서 나오는 열을 이용하는 방식인 RTG와 베타 붕괴로 나오는 베타선을 활용하는 베타전지로 나뉜다. 열을 이용하는 방식은 핵붕괴 과정에서 나오는 열을 모터나 열전 소자 등을 이용해 사용한다. 반면 베타선을 활용하는 방식에는 핵붕괴 과정에서 나오는 베타 입자를 반도체 접합 부위에서 생기는 전압차가 생기는 원리를 이용하여 전기를 발전시킨다.[1]
최근 원자력 발전소에서 발생하는 탄소를 다이아몬드화 시켜 사용하려는 전지기술도 연구 중에 있다.[1]
베타선을 방출하는 대표 방사성동위원소는 니켈(Ni)-63, 스트론튬(Sr)-90, 트리튬(H)-3이다. 이들 방사성동위원소는 방사선을 내보내면서 원래 있던 방사능의 양이 절반으로 줄어들 때까지 걸리는 반감기가 각각 100.1년, 28.8년, 12.3년이다. 방사성동위원소가 내뿜는 베타선인 전자를 반도체에 충돌시켜서 전력을 생산한다.[1]
참조
[1]
뉴스
A nuclear battery the size and thickness of a penny
http://www.gizmag.co[...]
Gizmag
2009-10-09
[2]
뉴스
Tiny 'nuclear batteries' unveiled
http://news.bbc.co.u[...]
BBC News
2009-10-08
[3]
웹사이트
NanoTritium™ Battery Technology
https://citylabs.net[...]
2023-05-25
[4]
간행물
Atomic Battery Converts Radioactivity Directly into Electricity
https://books.google[...]
Popular Mechanics
1954-04
[5]
웹사이트
Thermoelectric Generators
https://web.archive.[...]
2015-02-23
[6]
웹사이트
Thermionic converter
https://www.osti.gov[...]
1987-05-19
[7]
학술대회
An overview of the Radioisotope Thermoelectric Generator Transportation System Program
1995-10
[8]
웹사이트
The ASRG Cancellation in Context
http://futureplanets[...]
[9]
논문
Pervasive Power:A Radioisotope-Powered Piezoelectric Generator
https://web.archive.[...]
[10]
웹사이트
Alpha- and Beta-voltaics
http://rt.grc.nasa.g[...]
NASA Glenn Research Center
2011-10-04
[11]
웹사이트
Alpha-Voltaic Power Source Designs Investigated
http://www.grc.nasa.[...]
NASA TM-2006-214016, Research and Technology 2005
2011-10-04
[12]
웹사이트
Tritium Batteries as a Source of Nuclear Power
https://citylabs.net[...]
2023-05-25
[13]
뉴스
Nuclear battery produces power for 50 years without needing to charge
https://www.independ[...]
The Independent
2024-01-12
[14]
뉴스
Chinese-developed nuclear battery has a 50-year lifespan — Betavolt BV100 built with Nickel-63 isotope and diamond semiconductor material
https://www.tomshard[...]
Tom's Hardware
2024-01-13
[15]
뉴스
Betavolt says its diamond nuclear battery can power devices for 50 years
https://newatlas.com[...]
New Atlas
2024-01-16
[16]
웹사이트
Betavolt successfully develops atomic energy battery for civilian use
https://www.betavolt[...]
2024-01-17
[17]
학술대회
Gammavoltaic Property of Perovskite Solar Cell - Toward the Novel Nuclear Power Generation
https://www.nanoge.o[...]
2016-11-07
[18]
특허
Gamma Voltaic Cell
http://www.freepaten[...]
[19]
웹사이트
A Diamond Gammavoltaic Cell
https://gtr.ukri.org[...]
2017-10
[20]
웹사이트
Diamond Gammavoltaic Cells for Biasless Gamma Dosimetry
https://southwestnuc[...]
2020-06-19
[21]
간행물
Popular Science
https://books.google[...]
1981-01
[22]
논문
Optimization of the Alpha Energy Deposited in Radioluminescence Thin Film for Alphaphotovoltaic Application
2019
[23]
웹사이트
Investigation of Electrical Power Degradation in Beta Photovoltaic (βPV) and Beta Voltaic (βV) Power Sources Using 63Ni and 147Pm
https://apps.dtic.mi[...]
2018
[24]
논문
Gamma-Ray-Driven Photovoltaic Cells via a Scintillator Interface
2011-12-01
[25]
논문
Multi-level radioisotope batteries based on 60Co γ source and Radio-voltaic/Radio-photovoltaic dual effects
http://www.sciencedi[...]
2018-06-01
[26]
뉴스
MedTech Memoirs: The Plutonium-Powered Pacemaker
https://www.medicald[...]
[27]
뉴스
Nuclear pacemaker still energized after 34 years
https://www.reuters.[...]
[28]
웹사이트
Nuclear-Powered Cardiac Pacemakers
https://www.osti.gov[...]
[29]
웹사이트
Extra Battery Life Not Always a Plus for Nuclear-Powered Pacemaker
https://www.medpaget[...]
[30]
웹사이트
Pacemaker Batteries for Leadless Pacemakers
https://citylabs.net[...]
2023-05-25
[31]
논문
Optimization of commercial scale photonuclear production of radioisotopes
2013
[32]
서적
Inventer l'Ordinateur du XXIème Siècle
Hermes Science
[33]
서적
Nanocomputers and Swarm Intelligence
ISTE Ltd, John Wiley & Sons
[34]
웹사이트
原子力電池とは
https://kotobank.jp/[...]
[35]
문서
[[α崩壊]]を起こす[[プルトニウム238]]や[[ポロニウム210]]、[[ベータ崩壊|β崩壊]]を起こす[[ストロンチウム90]]など
[36]
웹사이트
原子力電池の原理とは？地上でも宇宙でも省エネは重要課題｜電気と磁気の?館
https://www.tdk.com/[...]
TDK
2024-01-13
[37]
서적
『広辞苑』第五版「原子」内「原子力電池」
[38]
논문
化学が好きになる元素図鑑
ニュートンプレス
2023-11-07
[39]
문서
打ち上げから木星到達までには、軌道や位置関係にもよるが最低1年以上
[40]
뉴스
アトラスVロケット、木星探査機「ジュノー」を打ち上げ
http://www.sorae.jp/[...]
sorae.jp
2011-08-06
[41]
웹사이트
4.ホッキョクグマと原子力電池による危険
http://cicplan.ori.u[...]
東京大学
2008-11-14
[42]
웹사이트
贝塔伏特公司成功研制民用原子能电池
https://www.betavolt[...]
2024-01-13
[43]
웹사이트
充電不要スマホ実現へ。中国、50年間発電し続ける民生向け「原子力電池」を開発
https://pc.watch.imp[...]
2024-01-12
[44]
웹사이트
【APCOT】MEMSによるマイクロ原子力電池，体内への埋め込み狙う
https://xtech.nikkei[...]
日経BP社
2006-06-29
[45]
뉴스
Российские атомщики впервые в истории произвели обогащение радиоизотопа никель-63
https://www.tvel.ru/[...]
tvel.ru
2018-12-14
[46]
뉴스
Russische Forscher auf dem Weg zur medizinisch nutzbaren Atombatterie heise online
https://www.heise.de[...]
heise.de
2019-01-17
[47]
웹사이트
A nuclear battery the size and thickness of a penny
http://www.gizmag.co[...]
Gizmag
2009-10-09
[48]
뉴스
Tiny 'nuclear batteries' unveiled
http://news.bbc.co.u[...]
BBC News
2009-10-08
[49]
웹인용
NanoTritium™ Battery Technology
https://citylabs.net[...]
2023-05-25
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com