에너지

혁신적인 배터리, 핵폐기물을 장기간 전력으로 전환

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원자를 분열시키는 다양한 방법

Nuclear power is often associated with massive power plants, giant cooling towers, and the fear of nuclear meltdown. This is progressively changing thanks to the emergence of SMR(소형 모듈형 원자로) and 4세대 핵발전소 (두 링크에서 자세한 투자 보고서를 확인하세요).

전통적인 원자력 발전소와 최신 원자력 발전소 모두 핵 에너지를 이용해 물을 가열해 증기로 만들고, 그 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 동일한 원리를 사용한다.

핵반응의 열을 활용하는 또 다른 방법은 방사성 동위 원소 열전기 발전기(RTG)이며, 이는 주로 플루토늄을 연료로 사용해 심우주 탐사에 활용된다.

하지만 핵 에너지를 활용하는 다른 방법도 있다. 베타볼타익 배터리는 베타 방사선을 이용해 반도체 흡수체에서 전자를 원자핵으로부터 분리시켜 직접 전류를 생성한다.

현재 오하이오 주립대와 토레도 대학교(미국) 연구진이 핵반응으로 전력을 생산하는 새로운 개념을 만들었다. 이 개념은 방사선을 빛으로 변환하고, 그 빛을 태양전지로 전환해 전력을 얻는 ‘라디오볼타익스(radiovoltaics)’라는 과정이다.

They published their results1 in Optical Materials, under the title “Scintillator based nuclear photovoltaic batteries for power generation at microwatts level”.

핵 에너지 활용

When radioactive atoms are split, a few things occur at once. The original atoms split and emit some of their components, in the form of neutrons and/or alpha & beta particles, with the exact reaction depending on which radioactive element is used.

출처: Britannica

이 현상을 적절한 조건에서 활용하면 연쇄 반응을 일으킬 수 있으며, 이는 원자력 발전소에서 우라늄의 출력량을 크게 증가시킨다.

또 다른 가능성은 특정 원소의 일부 동위 원소가 시간이 지남에 따라 스스로 분해되는 경우이다. 핵연료 속 우라늄 원자가 분해되면서 새로운 원소들로 변환되고, 이들 중 다수는 매우 방사성이 강한 복합 혼합물을 만든다.

This means that these new elements spontaneously break apart a lot more often and emit a lot of energy per second.

핵폐기물 재활용

The new elements created in nuclear reactors are commonly referred to as nuclear waste, as they cannot be used to generate more power simply in traditional reactors. Their higher spontaneous radioactivity is also a problem, as it makes them very toxic for centuries or millennia.

이 문제를 해결하는 한 방법은 폐기물을 유리화(vitrify)하여 매장하는 것으로, 향후 10,000년 동안 인체에 해를 끼치지 않도록 하는 것이 목표다.

또 다른 옵션은 이러한 폐기물을 빠른 중성자 반응로(fast reactors), 번식 반응로(breeder) 또는 연소 반응로(burner)와 같은 특수 반응로에서 재활용하는 것이다.

이러한 반응로는 1970~1990년대 프랑스에서 운영되었다. 현대의 빠른 번식 반응로 예로는 설계되었지만 아직 건설되지 않은 PRISM by GE-Hitachi가 있다.

Another option is to use the natural high-energy production of these elements and turn them into power without needing special reactors.

방사선을 빛과 전력으로 전환

올바른 섬광체 찾기

Gamma radiation emitted by highly radioactive elements is difficult to convert directly into electricity because they are so powerful that it tends to damage the semiconductor material that could be used to generate power.

따라서 1950년대부터 개념이 시험됐지만, 수율은 0.4%에서 4.5%에 불과했으며 시스템 내구성에도 문제가 있었다.

What the Ohio researchers changed is to use a scintillator, which emits light when it is exposed to radiation. This required a lot of effort to find the right scintillator material as it required to be in the sweet spot matching all requirements:

  • 방사선을 강하게 흡수하여 수율을 높이고 태양전지를 보호한다.
  • 방출된 빛이 태양전지 흡수 스펙트럼에 맞는 파장이어야 한다.
  • 시간이 지나도 손상되지 않아 빛 생산이 일정하게 유지되어야 한다.
  • 방사선을 충분히 흡수할 정도로 두껍지만, 방출된 빛을 과도하게 흡수하지 않을 정도로 얇고 투명해야 한다.

Their choice ultimately fell on Cerium-doped Gadolinium Aluminum Gallium Garnet High Light-Yield (GAGG:Ce-HL – Gd3Al2Ga3O12).

방사선으로 전력 생산

The solar cell chosen was a thin-film polycrystalline CdTe, using gold and indium contacts. The main reason for this choice was its high resistance to radiation compared to silicon-based solar cells, up to 3 MGy (Megagrays).

개념을 시험하기 위해 연구진은 실험실용 방사선 발생기에서 생성된 세슘‑137과 코발트‑60을 사용했다.

실험에서 놀라운 발견은 섬광체로 사용된 결정의 형태와 크기가 효율에 큰 영향을 미친다는 점이었다.

전반적으로 부피가 클수록 방사선을 더 많이 포획하고 빛으로 전환하는 데 유리했다.

The resulting power was up to 1.5 μW under a radiation dose rate of 10 kRad/h (using cobalt), despite the very small size of the prototype, only 4 cubic centimeters in volume.

“전력 출력 측면에서 획기적인 결과다. 이 2단계 공정은 아직 초기 단계이지만, 다음 단계에서는 규모를 확대해 더 높은 와트를 생산하는 것이 목표다.”

Ibrahim Oksuz – 오하이오 주립대 기계·항공우주공학 연구조교

 응용 분야

Batteries of this type could theoretically keep running forever without any maintenance or intervention. In practice, it would likely last as long as the solar cell, with the rest of the system likely to work for many more decades without requiring any intervention.

아직 실험 단계이며 활성 동위 원소가 대량 생산되지 않아 가까운 시일 내에 스마트폰에 적용되기는 어려울 것이다.

하지만 인간의 개입이 최소화되거나 불가능한 환경에서 센서와 장비에 전원을 공급하는 데 활용될 수 있다. 예를 들어 심우주 시설, 해저, 혹은 원자력 발전소 등이다.

실제 적용까지는 최소 5년 정도가 더 필요하고, 보다 일반적인 활용이 보편화되기까지는 몇 년이 더 걸릴 것으로 보인다.

“이 기술을 대규모로 확대하면 배터리를 신뢰성 있게 제조할 수 없는 한 비용이 크게 증가한다. 배터리의 실용성 및 한계를 평가하기 위해서는 추가 연구가 필요하며, 안전하게 구현될 경우 얼마나 오래 지속될 수 있는지도 검증해야 한다.”

Ibrahim Oksuz – 오하이오 주립대 기계·항공우주공학 연구조교

It would also radically change how nuclear “wastes” are perceived. From an unfortunate byproduct of nuclear reactors, they could become a very valuable power source for advanced sensors and electronics in critical functions.

And, of course, recycling nuclear waste into power sources would solve the problem of dealing with nuclear waste in the first place.

“핵 배터리 개념은 매우 유망하다. 아직 개선할 여지는 많지만, 앞으로 에너지 생산과 센서 산업 모두에서 중요한 위치를 차지할 것이라 믿는다.”

Ibrahim Oksuz – 오하이오 주립대 기계·항공우주공학 연구조교

핵 기업

Cameco – Westinghouse Electric Company

CCJ 가격 차트

2022년 Cameco는 미국 핵발전소 건설을 선도하는 Westinghouse의 49% 지분을 인수하기로 결정했으며 Brookfield(51% 지분)와 함께 투자했다.

이 회사는 $190억 규모의 Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP )를 통해 거대한 재생·저탄소 전력 생산 부문을 보유하고 있다. Brookfield Corporation (BN ) 전체는 거의 1조 달러 규모의 자산을 관리하는 거대 자산운용사이다.

이는 Westinghouse가 깊은 자본 풀에 접근할 수 있게 해 주며, 새로운 원자로 프로젝트는 수년간의 투자가 필요해 수익을 내기까지 시간이 오래 걸리는 문제를 완화한다.

수익 실현까지는 시간이 걸리지만, 건설 단계에 들어가면 설계·공학 연구 후 6년 차부터 새로운 원자로가 Westinghouse에 수익을 창출하고, 전체 건설 기간 동안 10년 이상 지속된다.

 

출처: Cameco

Westinghouse의 주력은 검증된 AP1000 원자로 설계(운전 중 6대, 건설 중 6대)이며, 회사 고유의 CANDU 표준을 사용한다. 이는 전 세계에서 가장 흔히 사용되는 원자로 중 하나다.

또한 AP300 소형 모듈형 원자로를 개발 중이며, 이는 슬로바키아, 핀란드, 스웨덴에 배치될 예정이며, e‑Vinci 마이크로원자로도 개발 중이다. 이는 회사가 지속적으로 혁신하고 산업 최신 트렌드를 따라가고 있음을 보여준다.

출처: Westinghouse

Westinghouse는 핵 공급망의 큰 부분을 담당한다. 규제가 엄격하기 때문에 이러한 부품과 장비는 전통 원자로든 SMR이든 새로운 발전소에 모두 필수적으로 요구된다.

전반적으로 우라늄 공급 문제가 해결되고 가격이 급락하더라도 Westinghouse의 소유권은 Cameco가 향후 수십 년간 지속되는 핵 부흥의 혜택을 누릴 수 있게 한다.

Cameco의 나머지 사업부는 우라늄 채굴업체이며, 이 역시 핵 에너지 부흥의 혜택을 받을 가능성이 크다. 주요 채굴 자산은 캐나다와 카자흐스탄에 있다.

역사적으로 우라늄 및 원자력 기업은 핵 사고에 대한 두려움과 핵폐기물 문제에 시달렸다. 그러나 최신 설계가 안전해지고 폐기물이 문제 대신 가치 있는 자원으로 전환되면서 이러한 우려는 감소하고 있다.

또한 재생에너지만으로는 겨울철 간헐적 생산 문제를 완전히 해결하기 어려운 상황에서, 저탄소 전력원에 대한 수요가 증가함에 따라 핵 에너지가 강력히 부활할 수 있을 것으로 기대된다.

Latest on Cameco

Study Reference:

1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Material. Volume 25, 2025년 2월, 100401 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010 

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Jonathan은 유전 분석 및 임상 시험을 수행한 전직 생화학 연구원입니다. 그는 현재 주식 분석가이자 금융 작가이며, 혁신, 시장 주기 및 지정학에 초점을 맞춘 출판물 'The Eurasian Century'을 운영하고 있습니다.