오하이오 주립대학 연구진의 보고에 따르면, 방사성 폐기물을 전기로 변환할 수 있는 새로운 핵 배터리가 개발되어 소형 장치에 전력을 공급하는 지속 가능한 솔루션을 제공하고 잠재적으로 핵 폐기물 관리 문제를 해결할 수 있게 되었다고 합니다.
핵 폐기물로 만든 배터리
이 혁신적인 배터리는 감마선을 흡수하여 가시광선으로 변환하는 고밀도 신틸레이터 크리스털을 활용하는 2단계 변환 과정을 통해 작동하며, 이 가시광선은 태양광 전지에 의해 포착되어 전기를 생성합니다. 이 획기적인 기술은 위험한 핵 부산물을 가치 있는 에너지 자원으로 효과적으로 변환합니다.
설탕 큐브(약 4입방센티미터) 크기의 이 원형은 오하이오 주립대학의 연구진에 의해 개발되었으며, 사용 후 핵연료의 감마선을 사용하여 마이크로와트 수준의 전력을 생산할 수 있습니다. 이 연구팀의 결과는 2025년 초에 Optical Materials: X 저널에 발표되었으며, 이 연구는 미국 에너지부의 국가핵안보국과 에너지효율 및 재생에너지국에서 지원했습니다.
방사성 동위원소를 이용한 성능
핵 배터리 프로토타입은 다양한 방사성 동위원소를 사용하여 테스트했을 때 다양한 수준의 성능을 보였습니다. 일반적인 사용 후 핵연료의 핵분열 부산물인 세슘-137에 노출되었을 때, 이 배터리는 288나노와트의 전력을 생산했습니다. 그러나 더 강력한 방사선원인 코발트-60을 사용했을 때는 1.5마이크로와트의 훨씬 더 높은 출력을 생산했습니다.
이 전력 수준은 작지만, 소형 센서나 기타 저전력 전자 기기를 작동시키기에 충분합니다. 이 동위원소로부터 에너지를 얻는 배터리의 능력은 현재 미국에서 전기의 약 20%를 생산하는 원자력 발전소의 방사성 폐기물을 재활용하는 데 유망한 가능성을 보여줍니다.
극한 환경에서의 응용
이 원자력 태양광 배터리는 오래 지속되는 발전과 안전 기능 덕분에 유지보수가 어렵거나 불가능한 특수 환경에 이상적입니다. 이 배터리는 핵 폐기물 저장 시설, 우주 탐사 차량, 심해 응용 분야에서 사용될 가능성이 있습니다.
고에너지 감마선을 사용하지만, 배터리 자체에는 방사성 물질이 포함되어 있지 않아 안전하게 취급할 수 있습니다. 이 기술은 유지보수나 재충전 없이 수십 년 동안 안정적인 전력을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있어, 극한 환경이나 원격 환경에서 기존 배터리에 비해 상당한 이점을 제공합니다.
향후 개발 과제
핵 폐기물을 이용한 배터리 개발은 이 기술을 상업적으로 활용 가능하고 널리 적용 가능하게 만들기 위해 연구자들이 극복해야 할 여러 가지 과제에 직면해 있습니다.
- 출력 증가: 현재 프로토타입은 마이크로와트를 생성하지만, 더 넓은 범위의 장치를 구동하기 위해서는 밀리와트 또는 와트 수준으로 확장하는 것이 중요합니다. 이를 위해서는 신틸레이터 재료와 광전지의 효율성을 개선해야 합니다.
- 소형화: 휴대용 전자 기기 및 마이크로 센서에 통합하기 위해서는 크기를 줄이면서도 출력을 유지하거나 높이는 것이 필수적입니다. 연구원들은 더 높은 에너지 밀도를 달성하기 위해 첨단 소재와 디자인을 연구하고 있습니다.
- 안전 및 규제 승인: 이 배터리는 그 자체로 방사성 물질을 포함하고 있지는 않지만, 핵 폐기물에서 방출되는 방사선을 이용합니다. 공공 안전을 보장하고 다양한 응용 분야에 대한 규제 승인을 얻는 것은 극복해야 할 중요한 과제입니다.