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50년 무충전 원자력 배터리? 방사성물질의 붕괴를 이용한 배터리

50년 무충전 원자력 배터리? 방사성물질의 붕괴를 이용한 배터리

올해 초에 몇몇 언론사 및 인터넷 커뮤니티 등에서 50년 충전하지 않아도 되는 배터리가 중국(Beijing Betavolt New Energy Technology Co., Ltd)에서 개발되었다는 뉴스를 접하였습니다. 제목의 키워드를 살펴보면, "무충전", "50년", "원자력", "배터리" 등이 공통적이었습니다. 

betavolt_battery

뉴스로 처음 접했을 때에는 별 관심없이 지나쳤습니다. 그러다 인터넷 커뮤니티에서 동일한 뉴스가 공유된 것을 보았는데, 사람들의 그리 좋지 않은 반응의 댓글이 많았습니다. 왜 그럴까 사람들의 댓글을 읽고 있다보면 "원자력"이라는 수식어가 붙어버린 배터리에 대한 공포 때문이 아닌가 싶습니다. 별 관심이 없던 배터리인데, 갑자기 관심이 생겨버렸습니다. 


중국의 Betavolt에서 개발했다는 배터리가 어떤 것인지 한번 알아보겠습니다.


배터리라는 것은 결국에 어떠한 형태로 저장되어 있는 에너지를 전기에너지 등으로 이용할 수 있게 에너지 변환하여 전달해주는 것입니다. 우리가 흔히 사용하는 AA, AAA, 휴대폰 리튬배터리 등은 화학반응을 통해 전기에너지를 만드는 대표적인 형태입니다. 그러면 방사성물질이 붕괴를 할 때 방출되는 에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 배터리를 만든다면, 원자력 배터리가 되는 것입니다. 이러한 컨셉은 그리 새로운 것이 아니라 오래 전부터 존재해왔었고, 아주 특수한 분야이지만 실제 응용되고 있기도 합니다.


Betavoltaic device

베타볼타익 장치(Betavoltaic device)는 방사성동위원소가 베타 붕괴하는 과정에서 발생하는 베타 입자(전자)를 이용하여 전기를 생산하는 장치입니다. 중국 Betavolt에서 개발했다는 배터리도 니켈-63(Ni-63) 방사성동위원소를 이용한다고 되어 있습니다.

원리는 다음과 같습니다.

  • 방사성 붕괴:
    베타볼타익 배터리에서 사용되는 방사성 동위원소(예: 니켈-63, 스트론튬-90)는 베타 붕괴 과정을 거칩니다. 이 과정에서 동위원소는 베타 입자(전자)를 방출합니다.
  • 전자의 방출:
    베타 붕괴로 방출된 전자들은 에너지를 가지고 있습니다. 이 전자들이 배터리 내의 반도체를 통과하면서 에너지를 전달합니다.
  • 전기 에너지 생성:
    전자가 반도체 재료를 통과하면서 이루어지는 상호작용은 전기 에너지를 생성합니다. 이는 일반적인 태양전지가 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 원리와 유사합니다.

betavolt_battery

베타볼타익 장치의 장점은 방사성 동위원소의 반감기가 길기 때문에 배터리가 오랜 기간 동안 안정적으로 에너지를 공급할 수 있다는 것입니다. 이러한 배터리는 장기간 유지보수가 어려운 환경 또는 원격 위치에서 특히 유용합니다​​​​​​.

니켈-63는 반감기 100년의 베타붕괴를 하고 구리-63으로 됩니다. 이게 참 괜찮은 특징을 가지고 있습니다. 일반적으로 많은 핵종들이 베타붕괴를 할 때, 다양한 에너지 레벨로 여러 붕괴 경로가 있을 수 있습니다. 예를 들어 베타붕괴를 하면 전자가 나오는데, 붕괴되어 생성된 딸핵종의 에너지 레벨에 따라 감마선이 발생되기도 합니다. 근데, 니켈-63는 100% 구리-63 바닥상태로 붕괴하면서 다른 것 없이 약 67 keV의 베타선(전자)만을 발생시킵니다. 그리고 구리-63는 더 이상 붕괴하지 않는 안정상태로 여타 다른 방사선을 발생시키지 않습니다. 67 keV의 전자는 차폐를 알루미늄 쿠핑 호일 한두장 두께 정도면 차폐가 됩니다. 반감기도 절묘하게 100년입니다. 반감기가 짧으면 배터리 수명이 짧고, 반감기가 너무 길면 붕괴가 더디기 때문에 방사성동위원소 양을 늘려야 하던가 아예 못 쓸 정도가 될 수 있는 단점이 있을 수 있습니다.

그런데, 뉴스를 잘 읽어보면 배터리 스펙이 15mm x 15mm x 5mm 크기에 3 V, 100 μW입니다. 감이 안오시는 분들께 휴대폰 일반 충전을 예를 들면 5V 1A, 즉 5 W입니다. 일반 휴대폰 충전의 1/50,000 수준입니다. 일상적인 용도의 배터리가 될 수 없습니다.

이미지를 보면 방사능이 50 Ci라고 되어 있습니다. 낮은 수치는 아닙니다. 초당 1.85E+12개의 붕괴가 일어나고 있고, 초당 발생되는 베타선이 가진 운동에너지를 모두 더하면 약 0.02 W 정도입니다. 베타선이 배터리 내에서 에너지를 전달하는 과정에서 제동복사로 빠져나가는 것도 있을테고, 전기 에너지로 변환되는 과정의 손실도 상상해볼 수 있겠습니다.

이렇게 낮은 출력의 배터리는 어디에 쓸모가 있을까요.

  • 의료 장비:
    심장 박동기와 같이 장기간에 걸쳐 안정적인 전력이 필요한 의료 장비에 사용됩니다.
  • 우주 탐사 장비:
    우주선이나 인공위성에서 장기간 동안 지속되는 에너지원으로 활용됩니다.
  • 원격 센서:
    접근이 어렵거나 유지보수가 불가능한 원격 지역에서 작동하는 센서에 적합합니다.
  • 환경 모니터링:
    오염 또는 방사능 레벨을 지속적으로 모니터링하는 장비에 사용될 수 있습니다.
최근에 중국에서 개발되었다고 보도된 베타붕괴를 이용한 배터리는 새로운 개념이 아닙니다. 국내에서도 많은 논문들이 꾸준히 검색되는 분야입니다. 
"원자력" 배터리라는 수식어에 막연한 두려움이 있을 수 있겠지만, 매우 저출력의 배터리입니다. 그리고 에너지원의 특성상 상당히 제한된 분야에 활용될 뿐 일상생활 전자기기의 전원으로 대체하기는 어려울거라 생각합니다.

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