-원자력연, 누리호 성능검증위성에 탑재한 원자력전지 장기 신뢰성 평가 실증 성공-

-달, 화성, 심우주 탐사선과 로버의 열·전력원으로 활용 가능-

□ 우주 탐사선과 로버가 임무를 완수하지 못한 경우는 극한 온도 및 모래 폭풍 등으로 열과 전력공급이 중단된 영향이 크다. 이에 미국과 러시아 등 우주개발 선진국은 안정적으로 열과 전력을 공급하는 원자력전지를 사용하고 있다. 이제 우리나라도 세계에서 세 번째로 자체 개발한 원자력전지를 활용해 우주를 탐사하는 날이 머지않았다.

사진 1. 한국원자력연구원 홍진태 박사(맨 오른쪽)와 연구진들이 원자력전지를 개발했다.

□ 한국원자력연구원은 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.

 ㅇ 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.

사진 2-1, 2-2. 한국원자력연구원이 개발한 우주용 원자력전지와 누리호 성능검증위성에 탑재한 모습

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

 ㅇ 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.

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

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

사진 3. 원자력전지 열·전력 생산 원리

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

 ㅇ 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.

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

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

사진 4. 원자력전지 우주공간 성능평가 결과

□ 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.

 ㅇ 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 “달과 화성 탐사 등 우주의 극한 환경에서 무사히 임무를 완수할 수 있는 고성능 원자력전지 개발을 위해 앞으로 더욱 노력하겠다”고 밝혔다.