원전만이 아니다! 원자력을 활용하는 또 다른 방법... 원자력 전지에 대하여

원전만이 아니다! 원자력을 활용하는 또 다른 방법... 

원자력 전지에 대하여

대학생신재생에너지기자단 16기 임상현 단원

 

 

  지난해 11월 28일, 한국수력원자력은 울산광역시 울주군 서생면 신고리 5·6호기 건설 현장에서 신고리 5호기 원자로 설치 기념식이 열렸다. 2023년 3월 준공될 예정인 신고리 5호기는 아랍에미리트에 수출한 원전과 같은 한국형 APR1400 노형으로, 순수한 국내 기술로 개발되었다. 

 

  아랍에미리트에 수출될 뿐만 아니라 2018년 9월 28일, 미국 원자력규제위원회(NRC)로부터 표준설계 인증서(Standard Design Approval)를 받음으로써 기술적으로 안전성을 인증받은 국내 원전 기술은 우수함을 가지고 있다. 

 

  그러나 기술력과는 별개로, 국내에서는 탈원전 정책, 신재생에너지를 화두로 원자력에 대한 논의가 지속되고 있다. 신재생에너지의 확대로 원전의 축소에 대해서 논의하고 있는 현재, 원자력을 활용할 수 있는 다른 기술에 대해서 소개해보고자 한다. 반영구적인 전지, 국내에서는 베타전지를 중점적으로 개발하고 있는 원자력 전지가 그것이다.

 

 

원자력을 활용한 전지, 베타 전지

 

  원자력 전지는 방사성 동위원소가 붕괴하며 방출하는 에너지를 활용하여 전력을 생산하는 전지이다. 방식에 따라 열전, 베타, 압전 등의 종류가 있다. 그중에서도 국내에서 기술력을 확보하고 있는 베타 전지에 대해 논해보고자 한다.

 

  베타 전지는 그림 1에서 볼 수 있듯이 동위원소와 같은 베타 방출제에서 방출되는 베타선(전자)을 반도체의 PN 접합층에 흡수시켜 전기에너지를 생산하는 기술이다. PN접합층에 베타선이 가해지면, 전자(-)와 공공(+)이 분리되며 회로 안을 흐르게 되는데, 이 전류를 이용하여 회로에 전기에너지를 공급한다. 태양광 발전에서 태양에서 오는 빛 에너지 대신 베타선을 사용하지만, 태양전지의 원리를 그대로 적용한다. 기존의 태양전지는 날씨에 따라 전력 생산량이 변동하고 밤에는 전력 생산이 불가능한 단점을 가지고 있다. 그러나 베타전지의 경우 환경 변화와 무관하며 외부 동력원 없이 자체적으로 전력을 생산하며 극저온이나 고온 등의 극한 환경에서도 안정적으로 전력 생산이 가능하다는 장점이 있다. 

 

 

[베타전지 개념도]

출처: 베타전지 기술동향 분석 / 강태욱 외

 

  또한 베타 전지는 방사선 중 베타선을 이용하기 때문에, 알루미늄 호일 정도의 얇은 금속판 만으로도 방사선 차폐가 가능하여 방사선 위험도도 현저히 낮다. 여기에 더해 10년 이상, 길게는 50년 이상의 반영구적인 에너지 공급원으로 사용할 수 있는 긴 수명도 장점이다. 

 

[방사선의 종류에 따른 투과 능력]

출처: 한국원자력연구원

 

  베타 전지의 단점으로는 저전력이 꼽힌다. 2016년 ETRI가 개발한 단일 베타전지는 셀당 약 6.07 nW의 전력을 생산한다. 셀의 크기가 4X4 mm^2 라 하더라도 전력원으로 사용하기 위해서는 생산해야 할 셀의 양이 기하급수적으로 늘어난다. 신월성 2호기의 경우 2018년 생산한 전력량은 7,091,934 Mwh로, 동일 시간 가동 기준 시 10^18개 이상의 셀이 모여야 같은 전력량을 공급한다.

 

  그럼에도 불구하고 저전력을 장기적으로 필요로 하는 분야에 적용될 수 있는 핵심 기술이다. 우주, 심해, 극지방 등 사람의 손길이 닿기 어려운 극한 환경이나 초기 설치 후 배터리 교체가 불가능한 교량, 댐, 터널, 원자로 내부 등에 사용되는 안전 모니터링용 센서의 충전 기술 문제를 해결할 수 있는 기술로 활용될 수 있다.

 

[베타 전지 적용 제품]

 

출처: 베타전지 5년 이내 상용화된다, 정재훈

 

국내 기술은 어디까지....?

 

  2016년 한국전자통신연구원은 한국원자력연구원과의 공동연구를 통해 동위원소 Ni-63과 SiC를 기반으로 한 반도체 흡수체를 이용하는 베타 전지 개발을 발표하였다. 원자력 전지 중에서도 베타 전지는 아직 연구 초기 단계이므로 국내외 특허 10건 정도로 극히 적다. 주로 미국을 중심으로 관련 특허가 발표되었으나 최근 국내 전자통신연구원에서 에너지 변환효율을 증가시키기 위한 구조에 대한 특허가 발표되었다. 원천 기술을 확보하며 셀 개발 관련 기술을 쌓아가고 있다. 

 

  원자력은 매우 높은 효율을 가진 에너지원이다. 신재생에너지의 확대와 탈원전의 진행으로 원자력 자체가 위험한 기술로만 인식되고 있는 경향이 있는데, 연구방향과 적용 방법에 따라 유익하고 다양한 분야에도 적용 가능한 무궁무진한 가능성의 기술이다. 그중에서도 국내 베타 전지로 개발되고 있는 원자력 전지는 각종 에너지원 문제를 해결할 수 있는 기술로, 국내에서도 더 많은 개발 투자와 관심이 진행되어야 할 것이다.

 

 

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참고문헌

[1] 강태욱 외, "베타전지 기술동향 분석", 전자통신동향분석 제32권, 2017.12

[2] 정재훈, "베타전지 5년 이내 상용화된다", CH49.9, 2017.6.25,http://ipnomics.co.kr/2017/06/15/%EB%B2%A0%ED%83%80%EC%A0%84%EC%A7%80-5%EB%85%84-%EC%9D%B4%EB%82%B4-%EC%83%81%EC%9A%A9%ED%99%94%EB%90%9C%EB%8B%A4/

[3] 한국원자력산업회의, "국내 원전 현황", 2019.10.15, https://www.kaif.or.kr/?c=nws&s=5

[4] 한국원자력연구원, "방사선의 개념과 특징",https://www.kaeri.re.kr/board?menuId=MENU00455

[5]  한국원자력연구원, "우주탐사의 핵심 기술, 원자력전지 개발에 韓-英 손잡는다", 2019.09.02,https://www.kaeri.re.kr/board/view?linkId=7497&menuId=MENU00326