현대 세계의 원자 배터리

과학은 현재 끊임없이 발전하고 있습니다. 핵 전지는 이미 발명되었습니다. 이러한 에너지원은 최대 50년, 때로는 100년까지 지속될 수 있습니다. 이는 크기와 사용된 방사성 물질에 따라 달라집니다.

로사톰은 최초로 핵전지 생산을 발표했습니다. 2017년에는 전시회에서 시제품을 공개하기도 했습니다.

연구진은 니켈-63 동위원소의 베타 붕괴를 이용해 전기를 생산하는 핵전지의 각 층을 최적화하는 데 성공했습니다.

이 물질 1그램에는 3300밀리와트시가 포함되어 있습니다.

원자 배터리의 작동 원리

원자 배터리는 방사성 동위원소 열 발생기(RIHG)라고도 하며, 방사성 동위원소의 붕괴 과정을 이용하여 열을 발생시키고 이를 전기 에너지로 변환하는 전력원입니다.

원자 전지의 작동 원리는 원자핵이 붕괴하면서 입자와 에너지를 방출하는 방사성 붕괴에 기반합니다. 원자 전지에 가장 흔히 사용되는 물질 중 하나는 반감기가 긴 플루토늄-238입니다. 플루토늄-238은 우라늄-234로 붕괴하면서 알파 입자를 방출합니다. 이 알파 입자는 높은 에너지를 가지고 있으며, 주변 환경과 상호작용할 때 열로 변환됩니다.

원자 전지 작동에서 열 발생은 핵심 단계입니다. 열은 열교환기를 통해 열전 변환기로 전달됩니다. 이 변환기는 온도 차이가 발생할 때 전류를 생성할 수 있는 물질로 구성되어 있습니다. 따라서 플루토늄-238의 방사성 붕괴에서 발생하는 열은 열전 변환기의 한쪽으로 전달되어 양쪽 사이에 온도 차이를 발생시킵니다. 이 온도 차이를 이용하여 제벡 열전 효과를 통해 전기 에너지를 생성할 수 있습니다.

열전 변환기에서 생성된 전기 에너지는 전기 장치에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 원자 전지의 가장 큰 장점은 수년간 교체나 재충전 없이 안정적이고 오래 지속되는 에너지원을 제공한다는 것입니다. 그러나 방사성 물질을 사용하기 때문에 원자 전지는 특정 위험을 수반하며 사용 및 취급 시 특별한 안전 예방 조치가 필요합니다.

 

핵전지(방전 배터리)는 위험한가요?

개발자들은 이 배터리가 일반인에게 완전히 안전하다고 주장합니다. 그 이유는 배터리 외피가 잘 설계되었기 때문입니다.

베타 방사선은 인체에 해로운 것으로 알려져 있습니다. 하지만 새로 개발된 핵전지에서는 베타 방사선이 약해서 에너지 셀 내부에 흡수됩니다.

현재 전문가들은 러시아 A123 핵전지가 사용될 예정인 여러 산업 분야를 다음과 같이 보고 있습니다.

1. 약.
2. 우주 산업.
3. 산업.
4. 수송.

이러한 분야 외에도, 새로운 장기 지속 가능 에너지원은 다른 분야에서도 사용될 수 있습니다.

핵전지의 장점

여러 가지 긍정적인 특징이 강조됩니다:

• 내구성. 최대 10만 년까지 지속될 수 있습니다.
• 극한 온도 조건을 견딜 수 있는 능력.
• 크기가 작아 휴대가 간편하고 소형 장비에 사용할 수 있습니다.

핵전지의 단점

• 생산의 복잡성.
• 특히 하우징이 손상된 경우 방사선 노출 위험이 있습니다.
• 비싸다. 핵전지 한 개의 가격은 50만 루블에서 450만 루블에 달할 수 있다.
• 제한된 인원에게만 제공됩니다.
• 선택의 폭이 좁습니다.

핵전지 연구 개발은 대기업뿐만 아니라 일반 학생들에 의해서도 활발히 진행되고 있습니다. 예를 들어, 톰스크의 한 학생은 재충전 없이 약 12년 동안 작동할 수 있는 핵전지를 개발했습니다. 이 발명품은 삼중수소의 붕괴를 이용하며, 시간이 지나도 특성이 변하지 않습니다.

스마트폰용 핵전지

2019년 현재, 휴대전화용 핵 에너지원이 생산되고 있습니다. 아래 사진과 같은 형태입니다.

이 배터리는 휴대전화의 특수 슬롯에 장착되는 마이크로칩처럼 생겼습니다. 최대 20년 동안 충전 없이 사용할 수 있는데, 이는 핵분열 과정을 이용하기 때문입니다. 하지만 이러한 에너지원은 많은 사람들에게 불안감을 줄 수 있습니다. 방사선이 인체에 해롭다는 것은 누구나 알고 있는 사실이고, 하루 종일 이런 배터리를 휴대전화에 달고 다니는 것을 좋아하는 사람은 거의 없을 것입니다.

하지만 과학자들은 이 핵전지가 완전히 안전하다고 주장합니다. 활성 물질로는 삼중수소가 사용되는데, 삼중수소가 붕괴될 때 방출되는 방사선은 무해합니다. 야광 석영 시계에서 삼중수소의 작동 원리를 확인할 수 있습니다. 이 배터리는 영하 50°C까지 견딜 수 있으며, 최고 150°C의 온도에서도 안정적으로 작동합니다.⁰동시에, 그 작업량에는 어떠한 변동도 나타나지 않았습니다.

그런 배터리가 있으면 좋을 것 같아요. 적어도 일반 배터리로 휴대폰을 충전할 수 있으니까요.

이러한 배터리의 전압은 0.8볼트에서 2.4볼트 사이에서 변동합니다. 또한 50나노암페어에서 300나노암페어 사이의 전류를 발생시킵니다. 그리고 이 모든 현상이 20년이라는 기간에 걸쳐 발생합니다.

용량은 다음과 같이 계산됩니다: C = 0.000001W * 50년 * 365일 * 24시간 / 2V = 219mA

해당 배터리의 현재 가격은 1,122달러입니다. 현재 환율(65.42)로 루블화하면 73,400루블입니다.

핵전지는 어디에 사용되나요?

적용 범위는 기존 배터리와 거의 동일합니다. 다음과 같은 곳에 사용됩니다.

• 마이크로일렉트로닉스.
• 압력 및 온도 센서.
• 임플란트.
• 리튬 배터리용 보조 배터리로 사용됩니다.
• 식별 시스템.
• 시간.
• SRAM 메모리.
• FPGA, ASIC과 같은 저전력 프로세서에 전원을 공급하는 데 사용됩니다.

이것들이 유일한 기기는 아닙니다. 앞으로 그 목록은 크게 확장될 것입니다.

니켈-63 핵전지 및 그 특성

63번 동위원소를 기반으로 하는 이 핵 에너지원은 최대 50년 동안 사용할 수 있습니다. 베타-볼타 효과를 통해 작동하며, 이는 광전 효과와 거의 동일합니다. 베타-볼타 효과에서는 고속 전자 또는 베타 입자의 작용으로 반도체 결정 격자 내에 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 광전 효과에서는 광자의 작용으로 전자-정공 쌍이 생성됩니다.

니켈-63 원자 전지는 원자로에서 니켈-62 표적에 방사선을 쬐어 생산됩니다. 연구원 가브릴로프는 이 과정에 약 1년이 걸린다고 주장합니다. 필요한 표적은 이미 젤레즈노고르스크에 있습니다.

새로운 러시아제 니켈-63 핵전지를 리튬 이온 배터리와 비교하면 크기가 30배 더 작습니다.

전문가들은 이러한 에너지원이 약한 베타선을 방출하기 때문에 인체에 안전하다고 주장합니다. 더욱이, 베타선은 외부로 방출되지 않고 기기 내부에 머물러 있습니다.

이 전원은 현재 의료용 심박 조율기에 이상적입니다. 하지만 개발자들은 비용을 공개하지 않았습니다. 그러나 개발자들의 정보 없이도 계산할 수 있습니다. 현재 니켈-63 1g의 가격은 약 4,000달러입니다. 따라서 완전한 기능을 갖춘 배터리를 개발하려면 상당한 투자가 필요할 것입니다.

핵전지의 구성

니켈-63은 다이아몬드에서 추출됩니다. 하지만 이 동위원소를 얻기 위해서는 내구성이 뛰어난 다이아몬드 소재를 절단하는 새로운 기술 개발이 필요했습니다.

핵전지는 특수 필름으로 분리된 방출체와 수집체로 구성됩니다. 방사성 원소가 붕괴하면서 베타 방사선을 방출하는데, 이로 인해 방출체는 양전하를 띠게 됩니다. 동시에 수집체는 음전하를 띠게 되어 전위차가 발생하고 전류가 생성됩니다.

기본적으로 저희 원자력 전지는 층층이 쌓인 파이 구조입니다. 200개의 니켈-63 전극이 200개의 다이아몬드 반도체 사이에 끼워져 있습니다. 이 전극은 높이가 약 4mm이고 무게는 250mg입니다. 이처럼 작은 크기는 러시아 원자력 전지의 주요 장점입니다.

적절한 크기를 찾는 것은 어렵습니다. 두꺼운 동위원소는 생성된 전자가 빠져나가는 것을 막아줍니다. 반면 얇은 동위원소는 단위 시간당 베타 붕괴 횟수를 줄여 불리합니다. 반도체의 두께도 마찬가지입니다. 배터리는 동위원소 두께가 약 2마이크론일 때 최상의 성능을 발휘하는 반면, 다이아몬드 반도체는 10마이크론의 두께가 필요합니다.

하지만 과학자들이 지금까지 이룬 성과는 한계가 아닙니다. 배기가스 배출량은 최소 세 배 이상 증가할 수 있습니다. 이는 핵전지 가격을 세 배로 낮출 수 있다는 것을 의미합니다.

100년 동안 사용할 수 있는 탄소-14 핵전지.

이 원자 전지는 다른 방사선 에너지원에 비해 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.

1. 염가.
2. 환경친화적입니다.
3. 최대 100년의 긴 수명.
4. 독성이 낮음.
5. 안전.
6. 극한의 온도 조건에서도 작동 가능합니다.

방사성 동위원소인 탄소-14는 반감기가 5,700년입니다. 독성이 전혀 없고 가격도 저렴합니다.

미국과 러시아뿐만 아니라 다른 여러 나라들도 핵전지 현대화에 적극적으로 나서고 있습니다! 연구진은 탄화물 기판 위에 박막을 성장시키는 기술을 개발했습니다. 그 결과, 기판 비용이 100분의 1로 줄어들었습니다. 이 구조는 방사선에 대한 저항성이 뛰어나 핵전지를 안전하고 내구성이 좋은 에너지원으로 만들어 줍니다. 탄화규소를 핵전지에 사용하면 섭씨 350도의 고온에서도 작동이 가능합니다.

이렇게 과학자들은 자신들의 손으로 원자 배터리를 만들어내는 데 성공했습니다!