원자력 전지
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1. 개요
原子力電池
우주탐사선의 전력원으로 사용되는 방사성 동위원소 열전기 발전기(RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator)가 대표적인 원자력 전지이다. 구조는 간단하게 방사성 동위원소 물질 덩어리와 여기에 부착된 열전쌍(thermocouple)으로 이루어져 있다. 방사성 동위원소가 붕괴하면서 발생하는 열이 열전쌍에 전달되면, 열전쌍을 이루는 금속들 안의 전자들이 열운동을 하면서 온도차에 의한 제백 효과에 의해 전류가 생겨 전력이 생산된다. 온도차가 클수록 많은 전력이 생산되므로 방열판 등 폐열을 배출할 수단이 필요하다.
차세대 방식으로 발전 효율과 출력을 높이기 위해 열전대 대신 스털링 엔진을 이용하여 기계적으로 발전기를 돌리는 방식도 쓰이며, 태양광 전지를 응용해 동위원소가 많이 뿜어내는 특정 대역의 파장을 바로 전기로 바꾸는 것도 고려되어 연구 중이다. 차폐막이 거의 없어도 되는 알파, 베타 대역이라면 방사능 피폭 위험도 낮다.
2. 특징
RTG는 주로 태양 빛이 약해서 태양전지를 쓸 수 없는 태양계 외곽의 우주 탐사선의 동력원으로 쓰인다. 우주용으로는 멀리는 아폴로 12호의 달 관측 장비의 전원공급에도 쓰였고 심우주 탐사선으로는 파이어니어 10호, 11호 부터 주로 쓰였다. 그후에도 보이저 1, 2호, 카시니 등 화성 보다 먼 행성을 탐사하는 각종 우주탐사선에 쓰였다. 그 외에는 아폴로 계획에서도 달 표면의 관측장비들의 전원으로 쓰였고 화성 탐사선 바이킹 1,2호와 2012년 8월 6일 화성에 착륙한 큐리오시티도 원자력 전지를 동력원으로 하고 있다.
특히 화성탐사선 큐리오시티에 원자력 전지를 쓴 이유는 작은 태양전지로는 탐사선의 소비전력을 감당할 수 없기 때문. 또 원자력전지의 폐열을 탐사선 자체의 온도유지에 쓸 수 있는 장점도 있다. 큐리오시티 화성탐사선의 MMRTG는 무게가 45 kg 인데 그중 연료인 산화플로토늄의 무게는 4.8 kg 이고 110 W의 전기와 2000W정도의 열출력을 낸다. 큐리오시티 탐사선 전체의 무게는 약 1,050kg 이다. 화성은 태양빛은 충분해 스피릿과 오퍼튜니티 등 종래의 화성 탐사선은 태양전지를 사용하기도 했는데[1] 태양전지판에 먼지가 쌓여 출력이 점차 저하되기도 하고 또 모래폭풍 등 화성의 기상이나 계절 변화 때문에 운영이 중단되기도 하는등 문제도 적지 않았다.
장기간 안정되게 열을 공급해야 하므로 적당한 길이의 반감기를 가져야 한다. 반감기가 너무 짧으면 당연히 수명이 짧고, 너무 길면 단위시간당 에너지가 적어진다. 또한 경량화를 위해 가능한 얇은 차폐막으로 방사능 차폐가 가능한 것이 바람직하다. 그 원소 자체가 감마붕괴 하거나 그 붕괴 생성물이 감마붕괴를 하면 위험하기도 하고 감마선을 차단하기 위해 차폐막이 두터워져야 하므로 무거워지므로 바람직하지 않다. 또 붕괴 에너지가 너무 높아도 X선이 발생할 수도 있다. 알파선은 아주 쉽게 차단되고 베타선은 다소 차폐가 필요하지만 일반적 금속케이스로 충분하다.
이러한 기준에서 플루토늄 238(위 사진의 빨간색[2] 물질)이 가장 흔하게 쓰이고 있다. 플루토늄 238은 실로 RTG최고의 연료로, 알파선만 방출하여 몇밀리미터만 차폐시키면 되는 편리한 연료이면서 반감기 88년 정도로 상당히 많은 에너지를 수십년 정도 장기간 일정하게 발생시킬 수 있다. 플루토늄238은 핵무기의 재료로 쓰이는 플루토늄239 와는 다른 물질이어서 핵무기 제조에는 쓸 수 없지만 만드는 과정은 비슷하게 둘다 우라늄 원자로의 재처리로 추출해낸다. 플루토늄 238은 우라늄 235가 중성자 여럿을 흡수해야 만들어지기 때문에 플루토륨-239보다 생산이 어렵다.
NASA의 우주탐사선용 원자력전지도 대부분 플루토늄 238 을 연료로 사용해 왔는데 이게 생산시설의 유지비가 비싸서 미국은 1988년 이후로 생산을 중단해 재고가 거의 없다. 지금은 원자력 전지 2대 만들기에도 좀 부족한 양 밖에 남아있지 않다. 당분간 생산 재개도 쉽지않고 러시아도 생산을 중단해 수입도 어렵다. 그래서 2011년 발사된 주노(탐사선)는 목성 탐사선으로는 최초로 원자력 전지 대신 커다란 태양전지를 사용하고 있다. 지구보다 5배 더 태양으로부터 먼 목성궤도에서의 태양전지 출력은 지구궤도에서의 출력의 4% 밖에 안된다. 그나마 목성이 만만(?)해서 망정이지 똑같은 문제로 토성보다 멀리 천왕성, 해왕성 너머로 떠나겠다는 탐사선들은 전지 문제 때문에 죄다 예산도 못받고 보류되는 형편이다. 그렇지만, 이런것 땜시 2015년 오크리지에서 년간 1.5kg을 생산하겠다! 라고 주장한터라... 재고 부족으로 인해 스타샷 등 일부 탐사선 계획에서는 아메리슘 241을 대체 연료로써 고려하고 있다.
플루토늄 238 외에 원자력 전지의 연료로 사용되는 방사성원소로는 반감기가 29.1년인 스트론튬 90과 반감기가 100년 정도인 니켈 63 정도가 널리 쓰인다. 모두 원자로에서 만들어내는 인공방사성동위원소들이다. 플루토늄은 알파붕괴 스트론튬과 니켈은 베타붕괴한다.
출력비(출력 대 무게 비, W/kg)가 리튬 이온 전지의 100분의 1 수준이니까 그리 효율적인 전력원이라고 할 수는 없다. 그러나 화학전지와는 달리 어떠한 조건에서도 반감기가 될때까지 수십 년 동안 안정된 전력을 공급해줄 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다. 초당 전력은 적어도 무지막지하게 긴 사용시간을 곱하면 총에너지발생량은 당연히 리튬전지따위 비교가 안 되고 극저온인 우주에서도 동작한다. 시간이 갈수록 붕괴된 동위원소의 양이 증가하면서 발생하는 열이 감소하며, 열전대도 망가지기 때문에 서서히 출력이 떨어지는 점은 어쩔 수 없다.
이들 원자력 전지는 비교적 반감기가 긴 방사성동위원소를 사용하므로 이게 유출되면 심각한 방사능오염 문제가 발생하니 적용이나 관리를 신중하게 해야한다. 당연히 부식되지 않고 부서지거나 유출되지 않도록 안전하게 설계되어야 하고 적용도 장기간에 걸쳐 확실하게 관리하고 수명이 다하거나 필요없어지면 안전하게 회수 폐기할 수 있는 용도에만 써야한다. 반감기가 지나 출력이 떨어져 전지로서 수명을 다해도 여전히 방사선을 내뿜는다.
예전에 소련에서 무인등대를 돌리기 위해서 RTG를 마구마구 만들어냈는데, 그동안 기록누락등으로 인해 기록에서 지워지고 여기저기 버려진 RTG들이 생겨났다. 원자력 전지를 관리도 안 될 정도로 뿌리면 이런 문제가 발생하게 되는 거다. 이런 버려진 RTG로 인해 2001년 조지아에서 3명이 피폭되고, 1명이 사망하는 사고가 있었다. [3] 피해자들은 나무꾼들로, 나무를 베러 다니다가 보호장치가 제거된 RTG를 발견하였다. 이를 난방장치로 쓰다가 3시간 이상 접촉하였다. [4] 3명 모두 등 조직의 많은 양이 괴사되고 이를 치료하는 과정을 거쳤고, 한 명은 회복되지 못하고 결국 사망하였다.
위에 버려진 것처럼 보이는 원자력 전지에는 스트론튬 90이 들어가 있다. 스트론튬 90은 베타선을 방출하여 X선을 부산물로 내놓기 때문에 방호벽이 좀 두껍다. 출력은 용도에 따라 다르지만 수십 와트 정도이다.
예전엔 페이스메이커용으로도 사용된 적이 있다. 당시 배터리 기술력 한계상 자주 갈아끼우는 게 못할 짓이었기 때문이라는데, 덕분에 그런 환자들을 납치해서 방사능 테러에 사용한다거나, 환자가 사망한 후 페이스메이커를 제거하지 않고 화장하면 방사능이 누출되는 시나리오가 제기되기도 했다. 2003년 이 페이스메이커를 차고 다니는 사람이 50~100여명이 남아있으나, 현재 페이스메이커의 전력원은 리튬 전지.
탄소-14로 만들어진 다이아몬드나 삼중수소를 이용하여 베타 원자력 전지를 만드는 것도 구상되고 있다. 탄소-14 동위원소의 경우 5730년의 반감기를 가지므로 매우 긴 수명을 가지는 원자력 전지를 만들 수 있다.
3. 창작물에서
데즈카 오사무 화백의 대표작인 철완 아톰의 세계관에 등장하는 동력원. 1980년도 부터 사용되었고 계산기에도 사용된다는 설정이다. 작품내에 묘사되는 모습은 그냥 좀 굵은 건전지다. 그나마도 좀 심하게 움직이면 금방 에너지가 바닥나서 아톰이 빌빌대게 만든다. 동방몽시공에 등장하는 루코토의 동력원도 이 전지이다.
시즈마 드라이브의 모티브가 아닐까 추정되는 물건.[5]
폴아웃 시리즈에서도 원자력전지가 등장하는데, 폴아웃의 세계관에서는 화석연료가 이미 20세기말에 고갈되는 바람에 대체연료로 원자력을 사용하고 있기 때문.[6][7]그탓에 관련기술이 많이 발달한 탓인지 위의 크기와는 비교도 안되게 작아졌는데, 건전지라 부를만큼 작아졌지만 무게는 3 이후 기준으로 6으로 꽤 무거운 편. 대전쟁 이전 미국에서는 일반가정용 건전지처럼 쓴 것으로 추측[8]되며, 게임내에서 전력으로 직접 사용되지는 않고, 폴아웃3의 DLC Point Lookout에서는 문샤인을 양조할 때 사용하고(뉴 베가스에서도 동일하다.) 폴아웃: 뉴 베가스의 DLC Dead Money에서는 크리스틴 로이스로부터 고철 2개와 전지 1개로 시에라 마드레 카지노의 칩을 조합하는 방법을 배울 수 있다. 여담으로 레이저무기들의 탄약인 마이크로 퓨전셀, 에너지셀, 일렉트론 차지팩도 원자력 전지와 비슷하게 전쟁전에는 건전지대체품으로 보급이 된듯한데, 이쪽이 차라리 더 정상적이다... 또한 파워 아머의 동력원 역시 이 원자력 전지인데, 한동안 어디에 꽂는지 알려져 있지 않았다가 폴아웃 4에서는 파워 아머 후면에 전지를 끼울 수 있는 공간이 생겼다.
소설 및 영화 마션에서는 화성탐사 미션인 '아레스 미션'에서 실제 탐사팀이 보내지기 전에 미리 귀환용 화성상승선(MAV)를 보내놓는데 탐사팀이 올때까지 화성상승선이 자체적으로 기능 유지 및 연료 제조를 위한 동력원으로 플루토늄 원자력 전지를 사용하며, 원래 탐사팀이 도착하면 즉시 매립하도록 되어 있지만 아레스 3 미션에서 낙오한 주인공 마크 와트니가 다시 파내어 장거리 이동시의 난방용으로 사용한다. 안전을 위해 매립한 것이지만, 상술한 것처럼 방사능은 차폐하고 폐열은 배출하는 것이 기본 설계이니 차폐막이 망가지는 사고만 없으면 방사능 피폭 걱정은 없다.
다크맨(영화)에서는 KGB 출신 마피아가 소련 우주개발 프로그램에서 빼내온 손바닥만한 450기가와트 짜리 원자력 전지를 빼와서 매드 사이언티스트의 냉동 광선총의 배터리로 이용한다.
아이작 아시모프의 파운데이션에서는, 쇠퇴한 문명이 원자력 발전소 관리방법도 잊어버리는 동안, 파운데이션이 이 기술을 극한까지 발전시켜 주위 성계를 점령하는 무기로 사용한다. 손목시계만한 장치를 구동하는 핵전지는 일상적. 50-60년대 소설이라 당시의 원자력 만능 분위기, 그리고 실용화된 페이스메이커를 구동하는 핵전지에서 영감을 받았을 수 있다.
레인보우 식스 시즈 에서의 남성 GEO 오퍼레이터 자칼(레인보우 식스 시즈)은 원자력 전지를 이용하여 아이녹스 모델 III를 구동한다
아스트로니어 에서 RTG로 등장
레진코믹스의 만화 오디세이(웹툰)에서 목성의 위성인 가니메데 탐사선으로 개조된 ISS에 이온엔진을 달고 목성으로 향한다. 이때 이온엔진의 전력소모와 목성에서 받는 적은 태양광을 커버하기 위해 RTG를 추가로 달았다.
From The Depths 에서 RTG로 등장
[1] 스피릿과 오퍼튜니티의 원래 작동 예상 기간은 90화성일(sol) 밖에 되지 않았기 때문에 굳이 비용이 비싼 원자력 전지를 실을 필요가 없기도 했다.[2] 자기자신의 방사성 붕괴 에너지로 가열되어 달아오른 것.[3] https://www.iaea.org/publications/10602/the-radiological-accident-in-lia-georgia[4] 심지어 RTG를 등 뒤에 놓고 자기도 하였다.[5] 여기서는 손목시계에 들어갈 정도로 작아졌다. 시즈마 드라이브에 올인한 세계의 기술이라서 그런듯. 하지만 무게는 다소 무겁게 설정되어 있다.[6] 폴아웃: 뉴 베가스에서는 넬리스 공군 기지에서 부머들이 바이오디젤을 자체적으로 정제해서 쓰긴 한다.[7] 또한 옥수수의 가격 폭등의 큰 이유중 하나가 바이오디젤인 것을 감안하면 석유를 대체할 정도로 바이오디젤을 생산한다면 전지구적인 식량난이 불어닥칠것을 어렵지 않게 예상할 수 있다. 바이오디젤은 어디까지나 보조용이지 주류로 자리잡기엔 대가가 너무 크다. 실제로 폴아웃에서는 미중전쟁 직전 미국전역에 대기근이 발생하는등 원자제의 공급문제역시 존재한다. 그렇다면 타국이 존재하지 않느냐는 말도 있지만, 폴아웃 세계관에서 유럽과 아프리카, 중동은 미중전쟁이 벌어지기도 전에 핵 전쟁으로 체제가 붕괴되었고 남미는 이미 황폐화된 지 오래이다. 결국 방향은 원자력밖에 없었던것.[8] 폴아웃 세계관의 전등의 동력으로 원자력 전지가 하나씩 붙어있다.