다이아몬드로 만든 반영구 배터리


방사성 폐기물이 에너지원…전력 낮지만 수명 길어


    앞으로 몇 년 뒤에는 휴대폰 충전을 위해 보조배터리를 별도로 들고 다니거나, 방전이 될까 봐 노심초사하는 사람들의 모습을 보기 어려워질지도 모른다.


현존하는 그 어떤 배터리보다도 월등한 성능을 가진 초강력 배터리가 개발될 예정이기 때문이다. 이 초강력 배터리의 정체는 바로 이름에서부터 강력함을 느끼게 해주는 ‘다이아몬드 배터리(diamond battery)’다.



방사성 폐기물을 원료로 하는 다이아몬드 배터리는 충전할 필요가 없는 반영구적인 배터리가 될 것으로 보인다 ⓒ ELEtimes


 

Bristol researchers create diamond batteries using nuclear waste


Many nuclear power plants across the UK are set to close, and Bristol scientists have created a way to recycle the radioactive waste to generate battery power.




Nuclear power plants have been around since the 1940s and used for multiple uses but most importantly for electricity generation. Their technology works by having a core of graphite, a form of carbon. The core powers turbines that turn water into steam in a process called nuclear fission.


However, most nuclear power plants are set to be shut down in the next 10–15 years. Berkeley, Oldbury and Hinkley Point in Somerset are just a few nuclear power stations that are in stages of decommission; according to the World Nuclear Association, shutting down radioactive material isn’t a simple process. Additionally, the UK has generated 95 tonnes worth of radioactive graphite blocks, and researchers have been investigating sustainable management for this waste.


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https://epigram.org.uk/2020/02/06/bristol-researchers-create-diamond-batteries-using-nuclear-waste



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방사성 폐기물이 에너지원인 배터리

최근 영국의 브리스톨대 연구진은 수천 년 정도는 충전 없이도 작동할 수 있는 다이아몬드 배터리를 개발했다고 발표했다. 놀라운 점은 배터리의 원료다. 모두가 꺼려 하는 방사성 폐기물을 에너지원으로 사용하고 있어서다.




원자력 발전은 이산화탄소 같은 온실가스의 발생량이 적고, 화력 발전에서 나타나는 미세먼지 발생도 거의 없어서 친환경 발전 방식으로 여겨지고 있다. 반면에 부산물로 나오는 방사성 폐기물은 지속적으로 유해한 방사능을 방출하기 때문에 잘못되면 위험한 결과를 가져올 수도 있는 발전 방식이다.


따라서 방사성 폐기물의 처리 방안은 원자력 발전에 있어서 영원한 숙제와도 같은 존재였는데, 브리스톨대 연구진이 처음으로 방사성 폐기물을 배터리의 에너지원으로 활용하면서 숙제를 마칠 수 있는 방법을 발견하게 된 것이다.


브리스톨대 연구진이 방사성 폐기물을 활용하여 다이아몬드 배터리 개발에 나선 이유는 사양길에 접어든 영국의 원자력 발전과 밀접한 관련이 있다. 영국은 그동안 흑연 기반의 우라늄 연료봉을 사용해서 핵발전소를 가동해 왔는데, 가동 과정에서 흑연 관련 방사성 폐기물이 대량 발생했다.


흑연 기반의 우라늄 연료봉 ⓒ EDFenergy




이후 원자력 발전소가 하나씩 중단되면서 더 이상 흑연 관련 방사성 폐기물이 발생되고 있지는 않지만, 지금까지 누적된 폐기물의 양만 무려 10만 톤 정도가 쌓여 있는 상황이다. 따라서 영국 정부의 입장에서는 이 같은 폐기물의 처리 방안이 필요했고, 브리스톨대 연구진에 의뢰하여 다이아몬드 배터리 개발에 이르게 되었다.


브리스톨대 연구진이 다이아몬드 배터리를 개발한 것은 사실 이번이 처음은 아니다. 이미 4년 전인 2016년에 연구진은 니켈의 방사성 동위원소인 ‘니켈-63(nickel-63)’을 대상으로 다이아몬드 배터리의 시제품을 제작하여 정상적으로 작동되는 것을 확인한 바 있다.


이에 대해 다이아몬드 배터리 개발을 책임지고 있는 브리스톨대의 ‘톰 스콧(Tom Scott)’ 교수는 “다이아몬드 배터리라는 이름도 니켈을 대상으로 연구했을 당시에 지었던 이름”이라고 밝히며 “니켈-63의 반감기는 약 100년으로 100년이 지나야 배터리 에너지의 50%가 감소된다”라고 소개했다.


전력은 낮지만 수명은 매우 긴 장점


니켈 기반의 다이아몬드 배터리를 개발했던 연구진은 이후 효율 개선을 위해 탄소 방사성 동위원소인 탄소-14를 이용한 다이아몬드 배터리를 새롭게 개발하게 되었다. 탄소-14는 원자력 발전 과정에서 감속재로 사용된 흑연에서 추출할 수 있다.


사용된 흑연에서 탄소-14를 추출하게 되면 방사능의 강도가 저하되므로 방사성 폐기물 보관비용을 절감할 수 있다. 연구진은 연료봉을 가열하여 탄소-14만 따로 추출하는 방법을 개발했다.


스콧 교수는 “증발한 탄소-14만 따로 모은 후 이를 단단하게 결합하면 쉽게 부서지지 않는 단단한 소재인 다이아몬드를 만들 수 있다”라고 밝히며 “여기에 열전소자와 단단한 차폐 물질로 둘러싸면 반영구적인 다이아몬드 배터리가 탄생된다”라고 설명했다.


연구진이 발표한 다이아몬드 배터리의 구조를 살펴보면, 흑연을 기반으로 하는 방사성 폐기물을 다이아몬드가 감싸고 있는 형태로 이루어져 있음을 알 수 있다.


이렇게 만들어진 방사선을 통해 생성되는 전력은 낮다. 하지만 수명은 매우 길다는 장점을 갖고 있다. 이론적으로는 다이아몬드 배터리에서 발생하는 전력의 50%를 사용하는 데 걸리는 기간이 5730년 정도로 예상된다.




스콧 교수는 “흑연 기반의 방사성 폐기물로 만든 다이아몬드 배터리의 가장 큰 장점은 별도의 충전이 필요 없다는 점”이라고 강조하며 “충전은 물론 교환 작업 같은 유지 보수도 필요 없다”라고 말했다.


 

방사성 폐기물을 둘러싸고 있는 인조 다이아몬드의 모습 ⓒ weforumorg


개발된 다이아몬드 배터리는 현재 소량의 전류만을 방출할 수 있어서 상용화까지는 갈 길이 먼 상황이다. 따라서 당장 현대인들이 쓰는 모든 제품의 배터리를 다이아몬드 배터리로 교환하는 것은 불가능하다.


하지만 전류량을 높일 수 있는 방법이 개발된다면, 배터리를 교체하지 않고도 수명이 오래 가야 하는 보청기나 심박조율기 같은 의료 장비, 또는 우주선 및 위성 같은 외계 탐사 장비에 활용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.


한편 다이아몬드 배터리 재료가 방사성 폐기물이라는 점 때문에 일각에서는 안전성을 문제 삼고 있다. 그러나 스콧 교수는 “다이아몬드는 지구상에서 가장 강한 물질이기 때문에 안전성 측면에서는 전혀 문제가 없다”라고 주장했다.


그러면서 스콧 교수는 “오히려 방사성 폐기물을 캡슐화하여 배터리의 에너지원으로 사용할 수 있다면, 모든 나라들이 골칫덩어리로 생각하고 있는 방사성 폐기물을 말끔히 없앨 수 있는 기회가 될 것”이라고 기대했다.

김준래 객원기자 stimes@naver.com Sciencetimes




NUCLEAR Diamond Battery: BUSTED!!  kcontents

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