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AMD의 그래픽 사업부에 대한 내용은 Radeon Technologies Group 문서 참고하십시오.| 원자력 전지의 구조 |
| 보이저 호에 탑재된 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG). 사진 맨 왼쪽의 기다란 검은색 통이다. |
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1. 개요
원자력 전지(原子力電池)는 방사선 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 전지를 말한다. 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.[1]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. 심우주 탐사선으로는 파이어니어 10호, 11호 부터 주로 쓰였고 그후에도 보이저 1, 2호, 카시니 등 화성보다 먼 행성을 탐사하는 각종 우주탐사선에도 사용되었다. 아폴로 계획에서 달 표면의 관측장비(Apollo Lunar Surface Experiments Package, ALSEP 이라고 부른다)의 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 원자력 전지의 폐열을 탐사선 자체의 온도유지에 쓸 수 있는 장점도 있다. 큐리오시티 화성탐사선의 MMRTG는 무게가 45 kg 인데 그 중 연료인 산화플루토늄의 무게는 4.8 kg 이고 110 W의 전기와 2000W 정도의 열출력을 낸다. 큐리오시티 탐사선 전체의 무게는 약 1,050kg 이다. 화성은 태양빛은 충분해 스피릿과 오퍼튜니티 등 종래의 화성 탐사선은 태양전지를 사용하기도 했는데[2] 태양전지판에 먼지가 쌓여 출력이 점차 저하되기도 하고 또 모래폭풍 등 화성의 기상이나 계절 변화 때문에 운영이 중단되기도 하는 등 문제도 적지 않았다.
| 플루토늄 238 |
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 하고 이로 인해 무게가 무거워지므로 이 역시 바람직하지 않다. 또 붕괴 에너지가 너무 높아도 X선이 발생할 수도 있다. 알파선은 아주 쉽게 차단되고 베타선은 다소 차폐가 필요하지만 일반적인 금속케이스로 충분하다.
이러한 기준에서 플루토늄 238(위 사진의 빨간색[3] 물질)이 가장 흔하게 쓰이고 있다. 플루토늄(Pu)-238은 실로 RTG 최고의 연료로, 알파선만 방출하여 몇 밀리미터만 차폐시키면 되는 편리한 연료이면서 반감기 88년 정도로 상당히 많은 에너지를 수십년 정도 장기간 일정하게 발생시킬 수 있다. Pu-238은 핵무기의 재료로 쓰이는 Pu-239와는 다른 물질이어서 핵무기 제조에는 쓸 수 없지만 만드는 과정은 비슷하게 둘다 우라늄 원자로의 재처리로 추출해낸다. 플루토늄 238은 우라늄 235[4]가 중성자 여럿을 흡수해야 만들어지기 때문에 Pu-239보다 생산이 어렵다. 참고로 Pu-238의 붕괴 이후에는 이터븀과 Mg-28, Mg-30이 생성된다.
Pu-238은 원자로에서 우라늄-235가 중성자를 먹고 우라늄-236이 된 후 이것이 중성자를 2개 흡수하여 생성된다. Pu-238은 1kg당 567W의 에너지를 내뿜기 때문에 원자력 전지의 원료가 된다. 하지만 원자로내에서는 Pu-239와 Pu-240도 섞여 있기 때문에 반드시 분리해야 하며, 동위원소 분류법으로 분리되어야 되기 때문에 가격도 비싸므로 일반 원자로 재처리에서는 뽑아내지 않는다. 대신 실험용 원자로에서 플루토늄-238이 잘 생성될 수 있는 동위체인 우라늄-236이나 넵투늄-237을 우라늄-235와 섞어서 만든 연료를 태운후에 얻는다.
| 보이저 탐사선에 탑재된 RTG 내부 구조. 플루토늄 238 원형 구 24개가 차곡차곡 들어가 있다. |
NASA의 우주탐사선용 원자력 전지도 대부분 플루토늄 238을 연료로 사용해 왔는데 이게 생산시설의 유지비가 비싸서 미국은 1988년 이후로 생산을 중단해 재고가 거의 없다. 러시아도 생산을 중단해 수입도 어렵다. 2015년부터 오크리지 핵연구시설에서 연간 최대 1.5kg을 생산하고 있지만 MMRTG 한 개에 4-4.8 kg 이 필요해 3년에 한 개분 정도나 출력을 줄이면 2년에 한 개 정도도 겨우 생산하고 있어 MMRTG를 꼭 써야하는 미션들은 펀딩 가능성이 떨어져서 되도록 피하고 있다.
그나마 목성까지는 태양전지로도 가능해서 2011년 발사된 주노(탐사선)는 목성 탐사선으로는 최초로 원자력전지 대신 커다란 태양전지를 사용하고 있다. 지구보다 5배 더 태양으로부터 먼 목성궤도에서의 태양전지 출력은 지구궤도에서의 출력의 1/25(4%) 밖에 안된다. 2021년 발사된 소행성 탐사선인 루시(탐사선)도 마찬가지로 태양전지를 쓰는 등 아직 플로토늄238 생산부족 문제는 해결되고 있지 않다. 그래서 토성보다 멀리 천왕성, 해왕성 너머로 떠나겠다는 탐사선들은 전지 문제 때문에 죄다 예산도 못받고 보류되는 형편이다. 이로 인해 스타샷 등 일부 탐사선 계획에서는 아메리슘 241을 대체 연료로써 고려하고 있다. 하지만 아메리슘 241은 반감기가 플루토늄 238에 비해 길기 때문에(약 432년) 단위시간당 출력 에너지가 낮으며 감마선도 차폐해야 한다는 단점을 가진다. 아메리슘 241의 반감기는 플루토늄 238의 약 5배이지만 붕괴시 방출되는 에너지는 더 크기 때문에 플루토늄 238에 비해 3분의 1 정도의 출력을 낸다.
플루토늄 238 외에 원자력 전지의 연료로 사용되는 방사성 원소로는 반감기가 29.1년인 스트론튬 90과 반감기가 100년 정도인 니켈 63 정도가 널리 쓰인다. 모두 원자로에서 만들어내는 인공방사성동위원소들이다. 플루토늄은 알파붕괴 스트론튬과 니켈은 베타붕괴한다.
앞으로 소행성대의 우주탐사가 활발해지면 원자력전지에 대한 수요가 더 커질거라 발전효율을 올려서 출력을 높이거나 플루토늄 소요량을 줄이거나 스트론튬 등 대체연료 사용도 고려해 볼 만 하다.
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. 오히려 열원과 온도 차이가 클 수록 즉 외부가 저온일 수록 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 시간이 갈수록 동위원소가 붕괴하며 소모되어 남은 양이 줄어들면서 발생하는 열이 감소하며 온도가 떨어지고, 열전대도 점차 재료가 방사능과 열로 열화되어 발전 효율이 떨어지기 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 기록누락 등으로 인해 기록에서 지워지고 여기저기 버려진 RTG들이 생겨났다. 원자력 전지를 관리도 안 될 정도로 뿌리면 이런 문제가 발생하게 되는 거다. 이런 버려진 RTG로 인해 방사선 사고가 일어나기도 한다. 2001년 12월 2일 당시 그루지야 공화국(현 조지아) 찰렌지카(წალენჯიხა, Tsalenjikha) 지구의 인구리 댐(ენგურის ჰიდროელექტროსადგური, Enguri Dam, 인구리 수력 발전소) 근처에서 2개의 원자력 전지[5] 때문에 리아 방사능 사고(Lia radiological accident)가 발생했다. 피해자들은 나무꾼들로, 나무를 베러 다니다가 보호장치가 제거된 RTG를 발견하였다. 이를 난방장치로 쓰다가 3시간 이상 접촉하였다.[6] 당연히 제대로 관리가 되었을리 만무하니 차폐 장치가 없는 용기에서 방사선이 그대로 나왔다. 피폭자는 총 3명이고 1 DN, 2-MG, 3 MB[7]가 각각 5.4 Gy, 5.7 Gy, 1.9 Gy.[8] 3MB는 가벼운 부상으로 곧바로 퇴원했고 1 DN과 2-MG는 증상이 심각하여 각각 러시아 모스크바의 버나시안 연방 의료 생물물리학 센터, 프랑스 파리의 퍼시 군 병원으로 보내졌다. 2-MG는 1년 이상 입원하며 광범위한 피부 이식을 진행했고 다행히 치료가 성공하여 2003년 3월 18일에 퇴원했다. 그러나 1 DN은 생각보다 심각했는데 어깨에 무려 21~37 Gy 피폭을 당한게 치명적이였다. 그는 등에 가장 큰 노출과 함께 심장과 중요 장기에 손상을 입었다. 그의 왼쪽 등 윗부분에 큰 방사선 궤양이 생겼다. 집중 치료, 항생제 투여, 여러 번의 수술, 그리고 광범위한 피부 이식 시도에도 불구하고 상처는 아물지 않았다. 게다가 폐결핵으로 그의 병세가 복잡해져서 폐손상의 효과적인 치료를 할 수 없었다. 결국 첫 노출 이후 893일 만인 2004년 5월 13일 심부전으로 사망했다.
| 소련 시절 만들어져 버려진 방사성 동위원소 열전기 발전기. 종류는 Beta-M 이다. 전기출력 10W, 열출력 250W(스트론튬90 선원 약 280g 정도)을 생산할 수 있으며, 무게는 560Kg. |
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 우려가 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
- 다크맨(영화): KGB 출신 마피아가 소련 우주개발 프로그램에서 빼내온 손바닥만한 450기가와트 짜리 원자력 전지를 빼와서 매드 사이언티스트의 냉동 광선총의 배터리로 이용한다.
- 레인보우 식스 시즈: 남성 GEO 오퍼레이터 자칼은 원자력 전지를 이용하여 아이녹스 모델 III를 구동한다. 방사선은 차폐했겠지만 무려 머리에 쓰는 장비에 원자력 전지를 장착했다.
- 마션(영화 포함): 화성탐사 미션인 '아레스 미션'에서 실제 탐사팀이 보내지기 전에 미리 귀환용 화성상승선(MAV)를 보내놓는데 탐사팀이 올때까지 화성상승선의 자체적으로 기능 유지 및 연료 제조를 위한 동력원으로 플루토늄 원자력 전지를 사용하며, 탐사팀이 도착하면 즉시 매립하도록 되어 있었지만 아레스 3 미션에서 낙오한 주인공 마크 와트니가 다시 파내어 장거리 이동시의 난방용으로 사용한다. 추후 2부에 해당하는 아레스 4 지역으로의 장기 이동시 원작에서는 로버에 필수적으로 장착해야 할 대기 조절기와 산소 발생기의 소비 전력을 최소한으로 억제하기 위해 대기 조절기가 전력의 대부분을 소비하는 공기 가열에 축열기로도 써먹는다. 안전을 위해 매립한 것이지만, 상술한 것처럼 방사능은 차폐하고 폐열은 배출하는 것이 기본 설계이니 차폐막이 망가지는 사고만 없으면 방사능 피폭 걱정은 없다.
- 오디세이: 목성의 위성인 가니메데 탐사선으로 개조된 ISS에 이온엔진을 달고 목성으로 향한다. 이때 이온엔진의 전력소모와 목성에서 받는 적은 태양광을 커버하기 위해 RTG를 추가로 달았다.
- 자이언트 로보 THE ANIMATION: 시즈마 드라이브의 모티브가 아닐까 추정되는 물건. 여기서는 손목시계에 들어갈 정도로 작아졌다. 시즈마 드라이브에 올인한 세계의 기술이라서 그런듯. 하지만 무게는 다소 무겁게 설정되어 있다.
- 철완 아톰: 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.
- 파운데이션 시리즈: 쇠퇴한 문명이 원자력 발전소 관리방법도 잊어버리는 동안, 파운데이션이 이 기술을 극한까지 발전시켜 주위 성계를 점령하는 무기로 사용한다. 손목시계만한 장치를 구동하는 핵전지는 일상적. 1950-60년대 소설이라 당시의 원자력 만능 분위기, 그리고 실용화된 페이스메이커를 구동하는 핵전지에서 영감을 받았을 수 있다.
- 폴아웃 시리즈: 원자력 전지가 등장하는데, 폴아웃 시리즈에서는 화석연료가 이미 20세기말에 고갈되는 바람에 대체연료로 원자력을 사용하고 있기 때문.[9][10]그 탓에 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[11]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.
- ASTRONEER(아스트로니어): 플레이어의 시작 주거모듈에 하나가 기본적으로 달려있고, 테크를 발전시켜 최후반부에 제작이 가능하다. RTG 이외에는 전력 생산 수단이 낮에만 작동하는 태양광 발전과 바람이 불 때만 작동하는 풍력 발전 밖에 없어 언제든 안정적으로 전력을 공급해주는 전력 최종 테크로써 자리잡고 있다. 다만 전력 생산량이 미약하다는 점을 고증한건지 의외로 시간당 전력 생산량은 그렇게 높지 않다.
- From The Depths: RTG로 등장한다.
- Kerbal Space Program: 영구적으로 작은 전력을 생성할 수 있는 원자력 전지 부품이 있다. 주로 소형 프로브에 장착하여 현실처럼 태양광이 부족한 외행성계를 탐사하는데 사용하거나, 우주선에 비상발전기처럼 붙여 전력이 바닥나서 고철이 되는것을 방지한다. 게임식으로 간략화되어 시간이 지나도 성능이 저하되지 않고, 열을 발생시키지도 않아 외부와의 온도차에 상관없이 전력을 생산한다. 이를 현실적으로 되돌리는 모드도 존재.
- Juno: New Origins: 위의 KSP와 비슷한 게임인 만큼 여기에도 RRG가 있다. 하지만 전력 생산량은 매우 적다.
- 백 투 더 퓨처 시리즈의 타임머신 차량 들로리안도 플로토늄을 연료로 사용해 1.21 GW 의 전력을 발생시켜 타임머신을 구동한다는 설정이다. 미래에는 핵융합로로 바뀌게 된다.
[1] 보통은 우주에서 발전하는데, 우주의 온도는 2K 정도로 매우 낮아, 적절하게 설계만 해주면 5~15% 정도로 높은 효율의 발전이 가능하다.[2] 스피릿과 오퍼튜니티의 원래 작동 예상 기간은 90화성일(sol) 밖에 되지 않았기 때문에 굳이 비용이 비싼 원자력 전지를 실을 필요가 없기도 했다.[3] 자기 자신의 방사성 붕괴 에너지로 가열되어 달아오른 것.[4] 핵분열성 동위체이지만 일정 확률로 분열하는 대신 중성자를 흡수하기도 한다.[5] 1980년대 초에 소련이 당시 건설 중이었던 후도니 댐(Hudoni Dam)과 인구리 댐을 연결하기 위해 무선 중계기를 설치했는데, 이때 8개의 원자력 전지가 그루지야(조지아)의 독립이 임박해 소련이 철수하면서 소실된 것 중 2개가 나중에 발견된 것이다. 나머지 6개는 그 이전에 아무 문제 없이 발견되었다.[6] 심지어 RTG를 등 뒤에 놓고 자기도 하였다. 또한 피폭 정도가 심했던 1 DN과 2-MG은 자른 나무를 차에 실을 때 등 뒤에 원자력 전지를 매달고 있었을 것이다.[7] 환자는 모두 익명처리 됐다.[8] Dolphin method 기준[9] 폴아웃: 뉴 베가스에서는 넬리스 공군 기지에서 부머들이 바이오디젤을 자체적으로 정제해서 쓰긴 한다.[10] 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 시리즈에서 유럽과 아프리카, 중동은 미중전쟁이 벌어지기도 전에 핵 전쟁으로 체제가 붕괴되었고 남미는 이미 황폐화된 지 오래이다. 결국 방향은 원자력밖에 없었던것.[11] 폴아웃 시리즈의 전등의 동력으로 원자력 전지가 하나씩 붙어있다.