과학자들은 수백 년 동안 지속될 수 있는 8,000배 효율의 핵 배터리를 개발했습니다.

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최근 중국 과학자들이 네이처 (Nature)지에 핵에너지 배터리 연구 결과를 공식 발표했습니다. 이에 따라 중국 둥우(東吾)대학교 왕슈아오(王樹消) 교수 연구팀은 방사성 동위원소에서 방출되는 알파선을 이용하여 이러한 유형의 배터리를 개발했습니다.

현재 알파 방사성 동위원소는 4~6메가전자볼트(MeV)에 달하는 높은 붕괴 에너지를 가지고 있어 소핵 전지의 유력한 후보로 여겨지고 있습니다. 알파선의 위치 에너지는 베타 방사성 동위원소 채굴 장비의 위치 에너지를 훨씬 능가합니다. 한편, 베타 방사성 동위원소의 가장 높은 붕괴 에너지는 약 수십 킬로전자볼트(KeV)입니다.

기존 배터리보다 효율이 8,000배 높지만, 미세핵 배터리는 여전히 한계가 있습니다. 고체 내부로의 침투가 매우 짧아 알파 입자가 자가 흡수 효과로 인해 많은 에너지를 잃게 되기 때문입니다. 연구팀장인 부옹 투 아오 교수는 "자가 흡수 효과는 알파 방사성 동위원소 미세핵 배터리의 실제 용량을 이론 용량보다 훨씬 크게 감소시킵니다."라고 말했습니다.

초소형 핵전지의 설계는 알파선을 최대한 활용하기 위해 태양 전지처럼 작동하는 통합 층을 가지고 있습니다. 연구팀은 에너지 변환기, 즉 동위원소를 둘러싼 폴리머 층을 도입하여 방사선 발생 중 방출되는 에너지를 광전지처럼 빛과 전기로 변환합니다.

이 연구에 따르면, 합성 방사성 물질인 243Am을 단 11마이크로퀴리(μCi)의 양으로만 사용하여 이 복합체는 동위원소 붕괴 과정에서 방출되는 알파선으로부터 발광을 생성했습니다. 또 다른 실험에서는 발광 출력이 11.88나노와트(nW)로 측정되었으며, 붕괴 과정에서 발생하는 에너지를 빛으로 변환하는 효율은 3.43%에 달했습니다.

연구팀은 방사선을 전기 에너지로 변환하는 태양광 핵전지가 수명이 길고 온도 변화에 독립적으로 작동한다고 밝혔습니다. 구체적으로, 실험용 마이크로핵전지는 총 전력 변환 효율이 0.889%이며, 139 마이크로와트/퀴리의 출력을 냅니다.

연구팀이 개발한 마이크로핵전지는 이론과 수많은 실험을 통해 엄격하게 검증되었으며, 기존 배터리 구조보다 에너지 변환 효율이 8,000배 높은 것으로 나타났습니다.

마찬가지로, 전력 변환기 또한 매우 안정적이어서 200시간 이상의 연속 작동 시에도 성능 매개변수가 거의 일정하게 유지됩니다. 합성 방사성 물질의 반감기가 243Am인 이 미소핵 전지는 최대 수세기 동안 사용할 수 있습니다.

배터리 구조(사진 1), 에너지 변환기 특성(사진 2), 이론 및 실험 연구 결과(사진 3), 배터리 성능 결과(사진 4). 사진 출처: 중국 핵의학 및 방사선 안전 중점 연구실.

중국과학기술일보는 "이것은 최근 수십 년간 핵전지 분야에서 이뤄낸 중요한 발전 중 하나"라고 평했습니다. 이 연구는 중국의 원자력 발전에 대한 전략적 및 안전적 요구를 다룰 뿐만 아니라, 핵연료 주기 외부에서 핵폐기물과 악티나이드 핵종을 사용하는 새로운 접근법을 제시합니다.

SCMP 신문은 다음과 같이 평가했습니다. "일부 동위원소의 긴 반감기와 고에너지 알파 붕괴는 핵폐기물의 방사능 독성으로 나타납니다. 그러나 이러한 동위원소는 여전히 긴 수명과 고에너지라는 이점을 제공합니다."

왕 슈 아오 교수는 핵폐기물 및 폐수 처리 프로젝트와 사고 비상 대응 연구에서 큰 성과를 거둔 중국 과학자입니다. 그는 지속 가능하고 안전한 핵 개발을 위한 중국의 전략적 요구에 오랫동안 집중해 왔습니다.