방사성동위원소 열전자 발전기

방사능동위원소 열전자 발전기(영어: radioisotope thermoelectric generator, RTG, 혹은 원자력 전지)는 방사성 붕괴를 이용하는 발전기라고 볼 수 있다. 이 장치는 방사능 원소가 붕괴될때 발생하는 열을 제백 효과를 이용해 전기로 바꾼다. RTG는 축전지중 하나로 고려해볼 수 있으며, 인공위성, 우주 탐사선, 그리고 무인조종 시설에 전력을 공급할 수 있다. RTG는 보통 태양전지를 못쓰는 곳이나, 무인 혹은 몇 백 와트의 전기가 필요한 곳에서 연료전지나 축전지 그리고 발전기보다 더 경제적으로 전기를 공급할 수 있다. 그놈의 잡다구니한 문제들만 빼면 말이다.

디자인[편집 | 원본 편집]

RTG의 디자인은 다른 원자로들 보다 간단하게 이루어져 있는데, 주요 구성요소는 발전기의 연료인 방사성 동위원소를 담고 있는 튼튼한 용기와 용기 바깥에는 펠티에-지백 효과를 이용해 열 에너지를 전기에너지로 변환하는 열전대가 자리하고 있으며, 각각의 열전대는 탈열기에 연결되어 있다. 연료의 방사성 붕괴는 열을 방출하고, 이 열은 탈열기에 연결된 열전대를 통하면서 전기를 생산하게 된다.

연료[편집 | 원본 편집]

RTG에 사용되는 방사성동위원소들은 다음과 같은 특징을 지닌다:

반감기가 길어, 에너지를 길고 안정적으로 생산해야 한다. 반대로 반감기가 짧아 필요한 만큼의 열을 생산해야 한다. 뭘 어찌하란 말인가
우주용으로 사용될경우, 집어넣은 방사성동위원소의 양보다 에너지 밀도가 높아야 한다. 지상에서 사용될 경우 크기제한에 들어가지 않다면 에너지 밀도나 무게는 중요하지 않다.
RTG에 쓰이는 방사성동위원소는 고에너지에 침투력이 약한 알파선을 방출해야 한다. 방사성동위원소가 베타선을 방출하면, 제동 복사에 의해 X선을 방출하고, 무거운 차폐장치를 구축해야 한다. 또한 감마선이나 중성자선이 나오지 말아야 하며, 또는 붕괴현상에서 생긴 다른 물질이 방사능을 뿜어서는 안 된다.

.... 뭐 말도 안 되는 조건들이 산적되어 있다.

대부분 RTG는 ²³⁸Pu를 사용하는데, 이놈은 87.7년이 반감기이다. RTG가 이원소를 사용하면서 1년동안 연료가 0.5^1/87.7 혹은 0.787% 사라진다. 그러나, 연료가 줄어드는 것 말고도 열전대도 시간이 가면 갈수록 성능이 당연히 떨어지게 된다.

첫째와 두번째 기준에 근접하는 연료는 약 30개가 있으며, 여기엔 플루토늄 238, 퀴륨 244 그리고 스트론튬 90이 제일 많이 쓰이는 방사성 동위원소이다. 그러나, 폴로늄 210, 프로메슘 147, 세슘 137, 세슘 144, 루테늄 106, 코발트 60, 퀴륨 242등이 연구되고 있다. ²³⁸Pu, ²⁴⁴, ⁹⁰Sr은 25mm의 납으로 방사능 차폐가 가능하며, 특히 ²³⁸Pu는 반감기도 길며 87.7년으로 긴 편이며, 2.5mm의 납으로 차폐가 가능하다는 장점이 있다. ²³⁸은 RTG에서 제일 많이 쓰이는데, 플루토늄 옥사이드(PuO₂)로 되어 있으며, 특별히 감마선과 중성자선지수가 낮다. 러시아에서 개발한 RTG에 들어간 ⁹⁰Sr은 에너지 밀도도 낮고, 감마선을 방출하지만 가격이 싸다는 장점이 있다.

이용[편집 | 원본 편집]

첫번째 RTG는 해군 항행위성 4A에 실린 SNAP 3이고, 최초로 지상에 사용된 RTG중 하나는 1966년 미 해군의 알래스카 페어웨이 락 섬의 주거지에 사용되었다. 이 RTG는 1995년에 제거되기 전까지 계속 전기를 공급했다.

일반적으로 RTG는 우주선에 사용되는데, 원자력 보조 전력체계 프로그램(Systems Nuclear Auxiliary Power Program, SNAP)유닛은 파이어니어 10, 11호, 보이저 1,2호, 갈릴레오, 율리시즈, 카시니, 뉴호라이즌 탐사선 같은 태양전지를 쓸수 없는 심우주로 가는 탐사선에 사용되었다. 게다가 RTG는 바이킹 착륙선의 전력을 공급했으며, 아폴로 12호부터 17호까지 달에 내려놓은 과학실험 장비에도 실렸다. RTG는 님버스 기상위성, 트랜싯 항행위성 그리고 링컨 실험 위성등에 실려 있다. 이와 대조적으로 몇몇 인공위성들은 소련의 RORSAT 시리즈와 미국의 SNAP-10A와 같은 우주용 원자로를 싣기도 했다. 물론 지금도 큐리오시티에 실려서 열심히 화성을 누비고 있다. 또한 가상이지만 마션에서도 와트니의 생존에 큰 역할을 했다.

RTG는 우주용에만 쓰인 것이 아니라, 소련에서는 RTG를 동력으로 하는 등대와 항행 비콘을 여럿만들었다^[1]. 이 RTG에는 스트론튬 90 (⁹⁰Sr)이 쓰이는데, 이건 매우 신뢰성이 높고 일정한 전기를 공급해주었는데, 문제는 이 RTG들은 몇년동안 잊혀져 파손이나 도난우려가 매우 높다는 것이다. 몇개는 취약한 문서관리로 묻혀졌고, 도둑놈이 뚜껑을 따면 치명적인 방사능 오염이 예상된다.

RTG는 또한 미공군이 알래스카에 있는 Top-ROCK와 Save-Igloo 무인 탐지시설의 전력을 공급하고 있다.[1]

과거엔, 작은 "플루토늄 전지" (조그마한 ²³⁸Pu를 동력으로 하는 RTG)가 심장박동 조절기, 즉 페이스메이커에 삽입되어 매우 긴시간 동작하였다.