에너지
안전하고 컴팩트한 핵 배터리가 에너지 저장 방식을 혁신할 수 있다
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모든 것에 핵 전력?
원자력 발전이 실용 기술로 자리 잡자, 그전까지 세상을 파괴할 폭탄을 만드는 데만 쓰이던 에너지가 같은 문명을 자원 고갈에서 구할 수도 있다는 희망이 생겼습니다.
기후 변화에 대한 우려가 커지면서, 재생에너지와 배터리가 화석연료를 대체할 준비를 마칠 때까지 공백을 메울 수 있는 가용성과 확장성을 갖춘 저탄소 에너지원으로 원자력이 다시 부흥하고 있습니다. 또한 “SMR(소형 모듈 원자로) 최신 동향 – 여전히 원자력의 미래인가”와 “4세대 원자력: 더 저렴하고 깨끗하며 안전하게”에서 설명했듯이, 원자력을 더 저렴하고 안전하며 유연하게 만들 새로운 발전소 설계도 등장하고 있습니다.
하지만 이런 대형 발전소는 공상과학 작가들이 처음 상상했던 원자력의 모습과 다릅니다. 아이작 아시모프 같은 선구적 사상가들은 훨씬 더 야심 차게, 기차와 자동차, 더 작은 장치에도 들어갈 수 있어 충전이나 연료 보급 자체를 사실상 불필요하게 만드는 소형 원자력 발전기를 구상했습니다.
이러한 방향으로 나아가는 한 걸음으로, 소형 전자기기에 안전하게 전력을 공급할 수 있을 만큼 작은 원자력 배터리가 공개됐습니다.
이 연구는 대구경북과학기술원 교수인 인수일 교수가 미국화학회(ACS) 봄 학술대회에서 “차세대 배터리: 고효율·고안정성 C14 염료감응형 베타볼타 전지”라는 제목으로 발표했습니다.
배터리 제한
오늘날 대부분의 전자기기는 대개 리튬 이온 기술을 사용하는 배터리 때문에 용량에 제약을 받습니다. 스마트폰, 드론, 센서 등도 마찬가지입니다.
또한 리튬 채굴은 환경을 훼손하는 과정이며, 리튬 자체가 앞으로 오염 물질이 될 가능성도 있습니다.
이에 과학자들은 수백 년에서 수만 년에 걸쳐 일어나는 방사성 붕괴를 이용해 장치를 전혀 재충전할 필요가 없도록 하는 방식을 더 나은 대안으로 오랫동안 검토해 왔습니다.
다만 이런 장치는 방사성 물질을 포함하므로 가장 엄격한 안전 기준을 충족해야 합니다.
베타 방사능
방사능에는 여러 형태가 있습니다. 그중 감마 붕괴는 암과 기타 손상을 일으킬 수 있는 매우 강력한 감마선을 방출하므로 가장 위험합니다.
출처: Compound Chem
알파 붕괴와 베타 붕괴는 훨씬 덜 위험하며, 방사선은 얇은 알루미늄층이나 종이만으로도 차단할 수 있습니다.
올바른 동위 원소 선택
어떤 방사성 활동이 일어나는지는 방사성 원소와 그 동위원소에 따라 달라지므로, 일부 에너지원은 다른 것보다 훨씬 안전합니다. 이런 이유로 우라늄 같은 물질은 소형 원자력 배터리에 적합하지 않습니다.
반면 자연적으로 존재하고 연대 측정에 자주 사용되는 탄소 동위원소인 탄소-14는 적합한 후보입니다.
또 다른 장점은 탄소-14가 기존 원자력 발전소에서도 이미 생성되므로 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 재활용도 쉽다는 점입니다. 마지막으로,
“베타선만 방출하기 때문에 탄소의 방사성 동위원소를 사용하기로 했습니다. 방사성 탄소는 매우 천천히 붕괴하므로, 이를 동력원으로 하는 배터리는 이론적으로 수천 년 동안 지속될 수 있습니다.”
인수일 교수 – 대구경북과학기술원
베타볼타익 기술
베타 붕괴를 발전에 활용하는 개념은 완전히 새로운 것이 아니며, 기존 태양광 발전에서 쓰이는 광자를 베타 입자가 대신하는 베타볼타 방식으로 알려져 있습니다.
베타볼타 전지에서는 광자 대신 전자가 반도체에 충돌해 전기가 생성됩니다.
이 반도체 재료가 핵심 요소이며, 그 효율이 전체 에너지 변환 효율을 결정합니다. 지금까지 베타볼타용 반도체는 효율이 매우 낮거나 핵연료만큼 오래 버티기에는 지나치게 약했습니다.
이산화 티타늄 반도체
인 교수 연구팀은 태양전지에 흔히 쓰이는 이산화티타늄에 루테늄 기반 염료를 더했습니다. 염료와 반도체 사이의 결합을 충분히 견고하게 만들기 위해 구연산 처리를 사용했습니다.
루테늄 염료에 베타 입자, 즉 고에너지 전자가 충돌하면 전자 사태라고 불리는 연쇄적인 전자 전달 반응이 일어납니다. 이산화티타늄은 생성된 전자를 모아 사용할 수 있는 전기로 바꿉니다.
양극과 음극 모두 처리하기
연구진은 원자력 배터리의 음극과 양극 모두에 루테늄 염료를 배치하면 공정 효율을 획기적으로 높일 수 있다는 사실을 발견했습니다.
방사성 탄소를 음극에만 배치한 기존 설계와 비교하면 에너지 변환 효율이 0.48%에서 2.86%로 크게 높아졌습니다.
응용 분야
이 시스템은 당분간 일반 배터리보다 비쌀 가능성이 크므로, 전원을 교체하거나 재충전하지 않아도 되는 이점이 가장 큰 분야에 먼저 적용될 것입니다.
예를 들어 심장박동기와 기타 의료용 임플란트는 이런 베타볼타 배터리로 사용 수명 내내 작동할 수 있습니다.
원자로, 공장, 심해, 우주처럼 민감하거나 가혹한 환경에서 쓰이는 센서도 이 방식에서 큰 이점을 얻을 수 있습니다.
추가 개선
이 기술과 인상적인 효율 향상은 원자로 없이 방사성 붕괴를 이용해 에너지를 생산하려는 다른 연구들과도 맥을 같이합니다. 예를 들어 핵폐기물로 또 다른 유형의 원자력 배터리를 만드는 구상을 최근 다뤘습니다.
인 교수는 베타선 방출기의 형태를 최적화하고 더 효율적인 베타선 흡수체를 개발하면 배터리 성능과 발전량을 더욱 높일 수 있다고 설명합니다.
전반적으로 반도체와 희소금속에 대한 이해가 깊어질수록 이 기술도 계속 발전할 가능성이 큽니다.
핵 투자
Cameco – Westinghouse Electric Company
CCJ 가격 차트
2022년 Cameco는 미국의 대표적 원자력 발전소 건설사 Westinghouse 지분 49%를 인수하기로 했습니다. 대형 투자사 Brookfield가 나머지 51%를 보유합니다.
이 회사는 190억 달러 규모의 Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP )를 통해 대규모 재생에너지·저탄소 발전 부문을 운영합니다. Brookfield Corporation (BN ) 전체로는 운용 자산이 거의 1조 달러에 이르는 대형 자산운용사입니다.
이에 따라 Westinghouse는 막대한 자본을 활용할 수 있습니다. 신규 사업이 매출을 내기까지 수년간 투자가 필요하므로 자금 조달은 원자로 건설사에 흔히 문제가 됩니다.
매출이 현실화되기까지 시간이 오래 걸리지만, 새 원자로가 건설에 들어가면 Westinghouse는 설계·엔지니어링 연구를 시작한 뒤 6년째부터 수익을 얻고 10년이 넘는 전체 건설 기간 동안 이를 이어갈 수 있습니다.
출처: Cameco
Westinghouse의 주력 제품은 이미 6기가 가동 중이고 6기가 건설 중인 검증된 AP1000 원자로 설계입니다. 또한 세계에서 가장 널리 쓰이는 방식 중 하나인 회사의 CANDU 표준도 활용합니다.
Westinghouse는 AP300 소형 모듈 원자로도 개발 중이며, 이 원자로는 슬로바키아, 핀란드, 스웨덴에 배치될 가능성이 큽니다. 또한 e-Vinci 마이크로리액터도 개발하며 지속적인 혁신과 업계 최신 흐름에 대한 대응력을 보여주고 있습니다.
출처: Westinghouse
Westinghouse는 원자력 공급망의 여러 분야에서 핵심 역할을 합니다. 엄격한 규제로 인해 이러한 부품과 장비는 전통형이든 SMR이든 모든 신규 발전소에 필요합니다.
종합하면 우라늄 공급 문제가 해결되고 가격이 급락하더라도, Westinghouse 지분 덕분에 Cameco는 진행 중인 원자력 부흥의 혜택을 적어도 수십 년간 누릴 수 있습니다.
Cameco의 나머지 사업은 우라늄 채굴로, 이 역시 원자력 에너지 부흥의 혜택을 받을 가능성이 큽니다. 주요 광산 자산은 캐나다와 카자흐스탄에 있습니다.
역사적으로 우라늄 기업과 원자로 기업은 원자력 재난에 대한 공포와 핵폐기물 우려로 어려움을 겪었습니다.
더 새롭고 안전한 설계가 성숙하고 핵폐기물이 문제가 아닌 귀중한 자원으로 바뀌면 이런 우려는 줄어들 것입니다. 여기에는 베타볼타 전지용 탄소-14 생산도 포함되며, 이는 Westinghouse 발전소의 추가 생산물이 될 수 있습니다.
또한 재생에너지가 특히 겨울철 간헐적 생산 문제를 아직 완전히 해결하지 못한 상황에서, 저탄소 전원을 늘리려는 움직임은 원자력의 강력한 복귀를 도울 것입니다.
(이 연구에 사용된 원소의 수요 잠재력에 더 관심이 있다면 티타늄 투자 보고서도 참고할 수 있습니다.)
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