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

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최근 중국 과학자들이 Nature Magazine 에 핵에너지 배터리에 대한 연구 결과를 공식 발표했습니다. 이에 따라 중국 동응오대학교의 Vuong Thu Ao 교수 연구팀은 방사성 동위 원소에서 방출되는 알파선을 활용해 이러한 유형의 배터리를 개발했습니다.

현재 알파 방사성 동위 원소는 붕괴 에너지가 4~6메가 전자볼트(MeV)에 달해 미세핵 배터리의 유력한 "후보"로 꼽힌다. 알파 방사선 에너지는 베타 방사성 동위 원소 채굴 장비의 에너지보다 훨씬 더 강력할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 반면, 베타 방사성 동위 원소의 가장 높은 붕괴 에너지는 약 수십 킬로전자볼트(KeV)이다.

미세핵 배터리는 기존 배터리보다 8,000배 더 효율적이지만, 고체 속으로 침투하는 시간이 매우 짧아 알파 입자가 자체 흡수를 통해 많은 에너지를 잃는다는 한계가 있습니다. 연구팀장인 Vuong Thu Ao 교수는 "자체 흡수 효과로 인해 알파 방사성 동위원소 미세핵 배터리의 실제 용량이 이론보다 훨씬 감소합니다."라고 말했습니다.

미세핵 배터리의 설계에는 알파선을 최적으로 활용하기 위해 태양 전지처럼 작동하는 통합 층이 있습니다. 연구팀은 에너지 변환기를 통합했습니다. 이는 방사선 조사 중에 방출되는 에너지를 전달하는 동위 원소를 둘러싼 폴리머 층입니다. 태양광 전지처럼 빛과 전기로 변환하는 것이죠.

이 연구에 따르면, 합성 방사성 물질인 243Am을 단 11마이크로퀴리(μCi)만 사용해도 이 복합체는 동위원소 붕괴 과정에서 방출되는 알파선으로부터 발광을 생성합니다. 또 다른 실험에서는 광도가 11.88나노와트(nW)로 측정되었고, 붕괴 에너지를 빛으로 변환하는 효율은 3.43%에 달했습니다.

연구팀은 태양광 핵전지는 방사선을 전기 에너지로 변환하고, 수명이 길며, 온도 변화에 관계없이 작동한다고 밝혔습니다. 구체적으로, 실험용 미세핵 배터리는 전체 전력 변환 효율이 0.889%이고 139마이크로와트/퀴리를 생성합니다.

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

마찬가지로 전력 변환기도 매우 안정적이며, 200시간 이상 연속 작동해도 성능 매개변수가 거의 일정하게 유지됩니다. 합성 방사성 물질의 반감기가 243Am인 미세핵 배터리는 수명이 최대 수세기입니다.

배터리 구조(사진1), 에너지 변환 특성(사진2), 이론 및 실험 연구 결과(사진3) 그리고 배터리 성능 결과(사진4). 사진 출처: 중국 핵의학 및 방사선 안전 중점 실험실.

중국 과학기술 보는 "이것은 최근 수십 년 동안 핵전지 분야에서 이룬 가장 중요한 혁신 중 하나"라고 논평했습니다. 이 연구는 중국의 핵에너지에 대한 전략적, 안전적 요구 사항을 다룰 뿐만 아니라, 핵연료 주기 외부에서 핵폐기물과 악티나이드 핵종을 활용하는 데 대한 새로운 접근 방식을 제공합니다.

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."

왕슈아오 교수는 핵폐기물과 폐수 처리 프로젝트, 사고 비상 대응 연구 분야에서 많은 위대한 업적을 이룬 중국 과학자입니다. 그는 수년간 중국의 지속 가능하고 안전한 핵 개발에 대한 전략적 요구에 집중해 왔습니다.