K-원자력전지, 우주에서 장기 성능도 이상 無

▲한국원자력연구원 홍진태 박사(맨 오른쪽)와 연구진들이 원자력전지를 개발했다.

한국원자력연구원이 자체 개발한 원자력전지(ETG, Electrically-heated Thermoelectric Generator)를 지난 2022년부터 누리호 성능검증위성에 탑재해 지구 저궤도에서 신뢰성을 평가한 결과, 장기간 안정적인 전력 생산 능력을 실증했다고 9일 밝혔다.

연구원 동위원소연구부 홍진태 박사 연구팀이 개발한 원자력전지는 플루토늄 동위원소(Pu-238)를 열원으로 하고, 열을 전기로 변환하는 열전소자, 전지 내부의 열 손실을 막고 열을 전달하는 열제어 구조체로 구성된 열출력 10W(와트)급 소형 원자력전지이다.

2022년 11월부터 올해 5월까지 1년 반 동안 원자력전지가 전기 출력을 장기간 유지할 수 있는지 검증했다.

이를 위해 원자력전지의 출력전압과 내부 온도를 위성 본체가 전달받아 데이터를 일정 기간 저장한 뒤 지상국과 교신 시 데이터를 전송해 왔으며, 이 데이터를 분석해 정상 작동 여부를 평가했다.

그 결과, 출력 감소나 부품 고장 없이 약 120mW(밀리와트)의 전력을 지속적으로 생산하고 있었다.

이는 앞서 진행한 단기성능시험('22년 7~10월)에서도 확인된 목표 전기출력(120±50mW)을 장기간 유지할 수 있음을 입증한 것이다.

▲한국원자력연구원이 개발한 우주용 원자력전지와 누리호 성능검증위성에 탑재한 모습.

이번 실험에서는 지구 저궤도에서 방사성물질 사용을 금하는 UN 국제규범에 따라 방사성동위원소 열원을 전기 히터로 대체했다.

위성 본체에서 공급된 10W의 전력으로 전지 내부 전기 히터를 가동해 방사성동위원소 붕괴열과 동일한 열을 발생시켜 실험한 것으로, 목표 전력을 정상적으로 생산할 수 있음을 확인하는데 성공했다.

이는 극저온의 달 표면에서 환경온도 모니터링, 우주방사선 계측 등의 임무를 수행할 수 있는 수준이다.

이번 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 2016년부터 우주 탐사용 원자력전지 개발 연구를 수행해 9년 만에 맺은 결실이다.

2032년 달, 2045년 화성 착륙 등 우리나라가 추진하고 있는 우주 탐사 목표를 달성하기 위해서는 우주의 극한 환경에서 버틸 수 있는 에너지원을 확보하는 것이 중요하며, 그 핵심이 바로 원자력전지다.

우주 탐사 관련 국제 협의체인 국제우주탐사조정그룹(ISECG)은 우주 탐사에 있어 원자력 동력원 확보가 필수라고 했으며, 유럽우주국(ESA)도 2030년대 달 착륙선 탑재를 목표로 아메리슘 동위원소(Am-241) 기반 원자력전지를 개발하고 있다.

연구팀도 향후 달 착륙선에 원자력전지를 탑재해 달 표면에서 전력 생산을 실증할 계획이다. 나아가 달 표면 자원 추출 등에도 원자력전지가 활용되도록 출력 및 안전성 등의 성능 고도화를 목표로 하고 있다.

연구원 정영욱 하나로양자과학연구소장은 “이제 우리나라도 세계에서 세 번째로 자체 개발한 원자력전지를 활용해 우주를 탐사하는 날이 머지않았다"며 달과 화성 탐사 등 우주의 극한 환경에서 무사히 임무를 완수할 수 있는 고성능 원자력전지 개발을 위해 앞으로 더욱 노력하겠다"고 밝혔다.

전지성 기자 jjs@ekn.kr