다이아몬드 배터리

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

다이아몬드 배터리(diamond battery)는 원자력 발전 후 핵 연료봉에서 추출한 방사성 동위원소 탄소-14를 다이아몬드로 감싸 만든 배터리를 의미한다. 2020년 1월, 영국 브리스톨 대학(University of Bristol) 연구진이 개발했다.

개요

다이아몬드 배터리는 배터리의 어마어마한 용량도 충격적이지만 더욱 충격적인 것은 바로 배터리의 원료이다. 인류가 만들어낸 최악의 위험 물질 중 하나인 방사성 폐기물을 에너지원으로 사용한 것이다. 방사성 폐기물은 원자력 발전에서 필연적으로 생기는 부산물로 산업적 이용이 끝난 이후에도 끊임없이 유해한 방사선을 방출하기 때문에 매우 위험하다. 하지만 마땅히 처리할 방식도 없어서 그야말로 인류의 골칫덩어리인 셈이다. 다이아몬드 배터리는 이러한 물질을 다이아몬드로 캡슐화하여 만든 배터리로 방사성 폐기물을 유용하게 활용할 수 있는 환경친화적인 방법이라고 할 수 있다.

브리스톨대 연구진은 이미 4년 전인 2016년, 다이아몬드 배터리를 개발한 적이 있었다. 니켈의 방사성 동위원소 '니켈-63'를 방사성 에너지원으로 이용한 배터리의 시제품을 제작한 후 잘 작동하는지 확인한 적이 있다. 이후 연구진은 효율 개선을 위해 방사성 동위원소인 탄소-14를 에너지원으로 한 새로운 다이아몬드 배터리를 개발하게 되었다. 탄소-14는 원자력 발전의 방사성 폐기물에서 추출할 수 있으며 탄소-14를 추출함으로써 방사성 폐기물의 자체 방사능을 저해하고 보관 비용을 감소시킬 수 있다는 이점이 있다.

다이아몬드 배터리는 발전 과정에서 동위원소를 사용한다는 점에서 동위원소 배터리라고 할 수 있다. 코일 사이에서 자석이 움직이도록 에너지를 투입하여 전류를 생산하는 대부분의 발전 기술과 달리 동위원소 배터리는 동위원소의 붕괴에서 방출되는 방사선이나, 전자, 또는 열 등을 활용한다. 원자력 배터리나 베타 배터리가 그 예시이다. 우주 탐사 로봇 등에 활용되는 원자력 배터리는 동위원소의 알파 붕괴에서 나오는 알파선이 가지는 에너지를 열로, 다시 열을 전기로 변환한다. 베타 배터리도 마찬가지이다. 베타 배터리에 사용되는 삼중수소는 베타 붕괴를 하면서 베타선을 발생시킨다. 원자력 배터리와는 달리 베타선을 반도체에 쏘아 주어 바로 전기를 만든다. 다이아몬드 배터리는 탄소-14의 베타 붕괴를 활용한다. 탄소-14의 방사선은 모든 고체에 빠르게 흡수될 수 있는 단거리 방사선으로 다이아몬드 내에서 비탄성 산란을 하면서 빠르게 흡수된다. 흡수된 방사선의 에너지는 열로 바뀌고, 열전 소자를 통해 전기로 변환되어 충전에 사용된다.

탄소-14의 베타 붕괴

 

배경

브리스톨 대학 연구진이 핵폐기물로 배터리를 만들게 된 배경에는 현재 가동을 중단한 영국의 원자력 발전과 밀접한 관련이 있다. 영국은 흑연 기반의 우라늄 연료봉을 사용해 원자력 발전소를 가동해왔다. 하지만 1989년 가동을 중지한 버클리원자력 발전소를 비롯하여 많은 원전을 중단시켰음에도 불구하고, 영국에서만 95,000톤 정도의 방사성 폐기물이 남아있다.

결국 영국 정부는 이를 처리할 방안을 브리스톨 대학에 의뢰하게 되었고, 감속재로 사용된 흑연에서 방사성 동위원소인 탄소-14를 추출하여 배터리를 만들게 된 것이다. 특히 탄소-14의 반감기는 약 5730년으로, 충전 없이 배터리 전력의 50%를 사용하는 데 5730년이 걸린다. 따라서 다이아몬드 배터리는 방사성 폐기물을 활용할 수 있는 방안이면서 동시에 친환경적 전력을 영구적으로 공급할 수 있으므로, 에너지 측면에서 획기적인 등장이라고 볼 수 있다.

원리 및 특징

다이아몬드 배터리의 기본 원리는 다이아몬드 내부에 방사선을 안전하게 고정해 이를 통해 꾸준히 전기 흐름을 만들어 내는 것이다. 연구를 이끌고 있는 브리스톨 대학 톰 스콧(Tom Scott) 교수는 "별도의 충전이나 유지보수가 필요 없다. 방사성 물질을 캡슐화해, 골칫덩어리인 방사성 폐기물을 원자력 배터리 및 청정에너지 장기 공급원으로 바꿀 수 있다"고 설명했다.

다이아몬드 배터리는 기존 배터리와 비교해 저전력이지만 배터리 수명은 혁신적이다. 탄소-14를 이용한 다이아몬드 배터리는 50%를 사용하는데 5730년이 걸린다. 스콧 박사는 "사실상 무한한 전력 공급이 가능해진다. 배터리 교환 및 충전이 어려운, 가령 심장박동기·위성·우주선 등에 적용될 수 있을 것"이라고 언급했다.

다이아몬드 배터리 재료가 방사성 폐기물이라는 점에서 일각에서는 안전 문제를 지적하기도 한다. 그러나 톰 스콧 교수는 "다이아몬드는 지구상에서 가장 강한 물질이다. 안전성 측면에서 전혀 문제가 없다"고 주장했다.

참고자료

• 이수연 기자, 〈방사성 폐기물, 무한동력 다이아몬드 배터리로 거듭나다!〉, 《에너지설비관리》, 2021-05-16
• 김정은 기자, 〈핵폐기물로 만든 무한전력 '다이아몬드 배터리' 나온다〉, 《데일리포스트》, 2020-01-22

같이 보기

• 칼륨 배터리
• 다이아몬드

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