핵 배터리

핵 배터리의 원리와 역사

핵 배터리, 특히 단 한 번의 충전으로 50년간 지속될 수 있는 마이크로 배터리의 등장은 에너지 저장 기술의 새로운 시대를 예고하고 있습니다. 이 기술은 방사성 동위 원소의 붕괴 에너지를 전기로 변환하여 장기간 안정적인 전력을 제공할 수 있습니다. 특히 최근 중국의 기술 수준이 급격히 상승하고 있는 가운데, 이러한 핵 배터리 기술도 중국에서 선도적으로 개발되고 있습니다. 이는 글로벌 에너지 시장에 큰 변화를 예고하며, 국내 연구진들도 이에 대응하기 위해 더욱 분발해야 할 필요성이 제기되고 있습니다. 핵 배터리는 환경 친화적이고 지속 가능한 에너지원으로서, 전 세계적으로 증가하는 에너지 수요와 환경 문제를 해결하는 데 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이 글에서는 핵 배터리의 기초를 간단하게 설명하겠습니다.

핵 배터리의 개념

핵 배터리는 방사성 동위 원소의 붕괴로 발생하는 에너지를 전기로 변환하여 사용하는 장치입니다. 방사성 동위 원소는 자연적으로 또는 인위적으로 방사선을 방출하며, 이 과정에서 열이나 전자가 방출됩니다. 핵 배터리는 이러한 방사선을 효율적으로 전기로 전환함으로써 에너지원으로 활용합니다.

역사적 배경

핵 배터리의 개념은 20세기 중반에 처음으로 탐구되었습니다. 1950년대와 1960년대에는 우주 탐사, 의료 장비, 원격 센서 등 지속적인 에너지가 필요한 다양한 분야에서 핵 배터리를 활용하려는 연구가 활발히 진행되었습니다. 최초의 상용 핵 배터리는 1954년에 개발된 SNAP (System for Nuclear Auxiliary Power) 시스템으로, 주로 우주선에 사용되었습니다.

핵 마이크로 배터리, 단 한 번 충전으로 50년간 전력 생산

1. 핵 마이크로 배터리 기술의 도입

Betavolt는 원자력 에너지를 소형화한 핵 마이크로 배터리를 개발했습니다. 이 배터리는 동전보다 작은 15x15x5mm³ 크기에도 불구하고, 63개의 핵 동위 원소를 이용해 3V의 전압과 100마이크로와트의 전력을 공급합니다. 이 혁신은 한 번 충전으로 50년간 전력을 공급할 수 있는 능력을 주장하며, 에너지 저장 기술에 새로운 장을 열고 있습니다.

2. 상업용 애플리케이션의 가능성

이 배터리는 스마트폰, 드론, 의료 기기 등 다양한 상업용 애플리케이션에 적용될 준비가 되어 있으며, 특히, 항공우주, AI 장비, 마이크로프로세서, 첨단 센서, 소형 드론, 마이크로 로봇 등의 분야에서 오래 지속되는 전력 공급 솔루션으로 기대되고 있습니다. Betavolt는 2025년까지 1와트의 전력을 가진 배터리를 생산할 계획을 세우고 있으며, 이는 충전이 필요 없는 휴대전화와 영구 비행 기능을 가진 드론과 같은 신기술의 가능성을 열어줍니다.

3. 안전성과 환경 친화성

Betavolt의 핵 배터리는 안전성을 우선시하여 설계되었습니다. 계층적 설계는 화재나 폭발 없이 갑작스러운 충격을 견디도록 만들어졌으며, 배터리 자체는 외부 방사선을 방출하지 않습니다. 이로 인해 심장 박동 조절기, 인공 심장, 인체 내 인공 와우 등과 같은 민감한 의료 기기에 사용될 수 있습니다. 또한, 이 배터리는 -60°C에서 120°C까지의 온도 범위에서 안정적으로 작동할 수 있어 다양한 환경에서도 신뢰성을 제공한다고 주장합니다.

4. 친환경적 접근

Betavolt는 환경에 대한 책임을 강조하며, 배터리의 붕괴 후에는 63개의 핵 동위 원소가 안정된 구리 동위 원소로 변환된다고 밝혔습니다. 이는 방사성을 지니지 않아 환경 오염의 위험을 줄입니다. 이러한 특징은 지속 가능성과 친환경성에 대한 장점을 보여줍니다.

5. 글로벌 기술 경쟁과 중국의 역할

이 기술은 중국의 제14차 5개년 계획(2021-2025)의 일환으로 추진되고 있으며, 국가 경제 강화를 목표로 하고 있습니다. 중국은 이 기술을 통해 글로벌 AI 기술 혁명에서의 입지를 강화하려는 야심찬 계획을 가지고 있습니다. 동시에 미국과 유럽의 연구 기관들도 유사한 기술 개발에 적극 참여하고 있어, 글로벌 기술 경쟁이 가속화될 것으로 예상됩니다.

6. 에너지 시장과 환경에 미치는 영향

Betavolt의 핵 배터리는 기존 배터리 기술에 비해 긴 수명과 높은 에너지 밀도를 제공하여 에너지 시장에 큰 변화를 가져올 가능성이 큽니다. 이러한 기술이 상용화되면, 더 효율적이고 지속 가능한 전력 공급 솔루션을 제공함으로써 전력 공급 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 또한, 환경 친화적인 특성으로 인해 지속 가능한 기술로서의 가치도 더욱 부각될 것이라 주장합니다. 이는 지속 가능하고 오래 지속되는 전력 솔루션의 미래에 대한 희망적인 전망을 제공하고 있습니다.

https://www.thebrighterside.news/post/nuclear-micro-battery-generates-50-years-of-power-on-a-single-charge

작동 원리

핵 배터리는 주로 두 가지 방식으로 작동합니다:

1. 방사성 붕괴 에너지를 직접 전환하는 방식: 방사성 동위 원소가 붕괴하면서 발생하는 입자나 방사선을 직접 전기로 변환하는 방법입니다. 베타 전지를 예로 들 수 있습니다. 베타 전지는 방사성 동위 원소가 붕괴할 때 방출하는 베타 입자를 사용하여 전기를 생성합니다.
2. 열전 발전 방식: 방사성 동위 원소의 붕괴로 발생한 열을 이용하여 전기를 생산하는 방식입니다. 이 방법은 주로 열전소자(thermoelectric generator)를 사용하여 열을 전기로 변환합니다. RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator)가 이 방식의 대표적인 예입니다. RTG는 우주 탐사에서 자주 사용되며, 대표적으로 보이저 1호와 2호에 사용되었습니다.

방사성 동위 원소

핵 배터리에서 사용되는 주요 방사성 동위 원소는 다음과 같습니다:

• 플루토늄-238 (Pu-238): 반감기가 약 87.7년으로, 장기적인 에너지원으로 적합합니다.
  • 알파 붕괴를 통해 0.568 MeV의 에너지를 방출합니다.
  • 열 출력: 약 0.57 W/g
  • 주로 우주 탐사 미션에 사용됩니다.
• 스트론튬-90 (Sr-90): 반감기가 약 28.8년으로, 비교적 짧은 반감기를 가지지만 열 생성 능력이 높습니다.
  • 베타 붕괴를 통해 0.546 MeV의 에너지를 방출합니다.
  • 열 출력: 약 0.93 W/g
  • 주로 원격 기상 관측소나 해양 부표에 사용됩니다.
• 코발트-60 (Co-60): 반감기가 약 5.27년으로, 강력한 감마선을 방출합니다.
  • 베타 붕괴 후 감마선을 방출합니다. 총 에너지는 2.824 MeV입니다.
  • 열 출력: 약 17.4 W/g
  • 의료용 방사선 치료와 식품 살균에 주로 사용됩니다.

알파붕괴 (Alpha Decay)

알파붕괴는 무거운 원자핵이 불안정할 때 발생하는 방사성 붕괴의 한 형태입니다. 이 과정에서 원자핵은 알파 입자를 방출하며, 알파 입자는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어진 헬륨-4 원자핵입니다. 이 붕괴를 통해 원자핵은 더 가벼운 원자핵으로 변하게 됩니다.

과정:

1. 알파 입자 형성: 원자핵 내부에서 두 개의 양성자와 두 개의 중성자가 결합하여 알파 입자가 형성됩니다.
2. 포텐셜 장벽 투과: 알파 입자는 원자핵의 포텐셜 장벽을 극복하고 핵 밖으로 방출됩니다. 이 과정은 양자 터널링을 통해 이루어집니다.
3. 붕괴 후 남은 핵: 알파 입자가 방출되면 원자핵은 질량수가 4 감소하고 원자 번호가 2 감소하여 새로운 원소로 변환됩니다.

특징:

• 이온화 능력: 알파 입자는 높은 이온화 능력을 가지고 있어, 주변 물질과 강하게 상호작용합니다.
• 투과력: 그러나 투과력은 낮아, 공기 중에서도 몇 센티미터밖에 이동하지 못하며 피부도 쉽게 뚫지 못합니다.
• 발생 원소: 주로 원자 번호가 82 이상인 무거운 원소에서 발생합니다.
• 붕괴 에너지: 보통 4-9 MeV의 에너지를 방출합니다.

베타붕괴 (Beta Decay)

베타붕괴는 원자핵 내부의 중성자가 양성자로 변하거나, 반대로 양성자가 중성자로 변할 때 발생하는 방사성 붕괴입니다. 이 과정에서는 전자나 양전자 같은 베타 입자가 방출됩니다.

a) β- 붕괴:

• 과정: 중성자가 양성자로 변하며 전자(β- 입자)와 반전자 중성미자(ν̄e)가 방출됩니다.

b) β+ 붕괴:

• 과정: 양성자가 중성자로 변하며 양전자(β+ 입자)와 전자 중성미자(νe)가 방출됩니다.

특징:

• 투과력: 베타 입자는 알파 입자보다 투과력이 강합니다.
• 이온화 능력: 하지만 알파 입자보다는 이온화 능력이 낮습니다.
• 에너지 스펙트럼: 베타붕괴의 에너지는 연속적입니다. 이는 방출되는 중성미자가 에너지의 일부를 가져가기 때문입니다.
• 발생 원소: 주로 중간 질량의 원소에서 발생합니다.

중요성

• 핵력의 이해: 알파붕괴와 베타붕괴는 원자핵 내부에서 작용하는 강한 핵력과 약한 핵력의 작용을 이해하는 데 중요한 정보를 제공합니다.
• 입자 물리학: 특히 베타붕괴는 약한 상호작용을 연구하는 데 중요한 예시로, 기본 입자들 간의 상호작용을 이해하는 데 기여합니다.
• 지질학적 응용: 방사성 붕괴는 지질학적 시간 측정에 사용됩니다. 예를 들어, 탄소-14 연대 측정법은 고고학과 지질학에서 유용하게 활용됩니다.
• 의학적 응용: 방사성 동위원소는 핵의학에서 진단 및 치료 목적으로 사용됩니다.
• 에너지 생성: 핵분열 반응에서는 이러한 붕괴 과정들이 중요한 역할을 합니다. 이는 에너지 생산 및 원자력 발전에 필수적입니다.

핵 배터리의 장단점

장점:

• 매우 긴 수명 (수십 년)
• 극한 환경에서도 안정적인 작동
• 높은 에너지 밀도

단점:

• 초기 제작 비용이 높음
• 방사성 물질 취급에 따른 안전 문제
• 효율이 비교적 낮음 (일반적으로 5-10%)

응용 분야

핵 배터리는 다음과 같은 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다:

• 우주 탐사: 우주선과 탐사 로봇에 사용되어 장기간에 걸쳐 안정적인 전력을 제공합니다. 보이저, 카시니, 그리고 뉴 호라이즌스와 같은 우주선에 사용되었습니다.
• 의료 기기: 심장 박동기와 같은 장치에 사용되어 장기간 교체 없이 사용할 수 있도록 합니다.
• 원격 센서: 극지방, 심해 등 인간이 접근하기 어려운 지역에서 사용되는 센서에 전력을 공급합니다.

결론

핵 배터리의 개발 경쟁은 이제 중국, 미국, 유럽 등의 주요 국가들 간에 치열하게 벌어지고 있습니다. 중국은 국가적인 차원에서 핵심 기술로서 핵 배터리를 육성하고 있으며, 미국과 유럽의 주요 연구 기관들도 이 기술에 대한 연구 개발을 강화하고 있습니다. 글로벌 기술 경쟁은 이러한 혁신 기술의 상용화를 가속화하고 있으며, 향후 시장에서는 에너지 효율성, 안전성, 환경 친화성을 갖춘 제품들이 주도권을 잡을 것으로 예상됩니다.