인류는 오랫동안 '양날의 검'과 같은 존재와 함께해 왔다. 바로 '핵에너지'다. 막대한 에너지를 제공하지만, 동시에 감당하기 힘든 '핵폐기물'이라는 부산물을 남긴다. 그런데 최근, 이 '골칫덩이' 폐기물이 인류의 미래를 밝혀줄 '황금알'로 탈바꿈할 가능성이 열렸다. 미국 오하이오 주립대학교 연구진이 방사성 폐기물을 활용해 전기를 생산하는 핵 배터리 개발에 성공하며, 에너지 저장 분야에 획기적인 전환점을 마련한 것이다. 이 연구는 단순한 기술적 진보를 넘어, 인류가 오랫동안 골머리를 앓아온 핵폐기물 처리 문제에 대한 혁신적인 해결책을 제시했다는 점에서 더욱 의미가 크다.

연구진은 사용후 핵연료에서 방출되는 감마 방사선을 섬광 결정과 태양 전지를 통해 전기로 변환하는 기술을 개발했다. 섬광 결정은 방사선에 노출되면 빛을 방출하는 특성을 지닌 고밀도 물질로, 이 빛을 태양 전지가 흡수해 전기로 변환하는 원리다. 감마 방사선은 X선이나 CT 촬영에 쓰이는 방사선보다 훨씬 높은 에너지를 지녀 투과력이 매우 강하다. 감마 방사선의 높은 투과력은 곧 물질을 뚫고 지나가는 능력이 뛰어나다는 뜻이기도 한데, 이러한 특성 때문에 감마 방사선을 효과적으로 제어하고 에너지로 변환하는 것이 핵 배터리 기술의 핵심으로 꼽힌다. 이 배터리는 충전이나 유지 보수 없이 수십 년간 전력 생산이 가능하며, 특히 우주나 심해 탐사와 같이 장기간 안정적인 에너지 공급이 필요한 분야에서 혁신적인 역할을 할 것으로 기대된다.

손 안의 '원자력 발전소'⋯작지만 '강력한' 에너지, 무한한 가능성 제시

연구진이 개발한 프로토타입 배터리는 4cm³ 크기로, 세슘-137을 사용했을 때 288나노와트, 코발트-60을 사용했을 때 1.5마이크로와트의 전력을 생산했다. 이는 마이크로칩과 같은 소형 전자 기기를 작동시키기에 충분한 수준이다. 물론, 가정이나 산업 현장에서 사용하는 전력량에 비하면 아직 미미한 수준이지만, 레이먼드 카오 교수는 "적절한 전력원을 사용하면 와트 수준 이상의 전력 생산도 가능할 것"이라며 기술 확장 가능성을 시사했다. 특히 그는 "우리는 폐기물로 간주되는 것을 수확하고 본질적으로 보물로 바꾸려고 노력하고 있다"며 핵폐기물 배터리 개발의 의의를 강조했다.

핵 배터리는 방사성 물질을 포함하지 않아 안전하며, 핵 폐기물 저장 시설이나 우주, 심해 등 방사선 수치가 높은 환경에서 활용될 수 있다. 또한, 장기간 작동이 가능해 유지 보수가 어려운 환경에도 적합하다. 사이테크 데일리는 "이 배터리는 일반적인 X선이나 CT 스캔보다 100배나 투과력이 강한 감마 방사선을 이용했지만, 배터리 자체는 방사성 물질을 포함하지 않기 때문에 만져도 안전하다"고 보도했다.

오하이오 주립대학교 연구진이 개발한 핵폐기물 배터리는 감마 방사선을 빛으로, 다시 빛을 전기로 바꾸는 두 단계를 거쳐 작동한다. 먼저, 신틸레이터 결정이 감마 방사선을 흡수해 빛을 낸다. 마치 반딧불이가 빛을 내는 것과 같은 원리다. 이렇게 발생한 빛은 태양 전지에 의해 포착되어 전기로 변환된다. 이는 태양광 발전과 유사한 방식이다. 이 배터리는 몇 가지 핵심적인 특징을 갖는다. 설탕 한 스푼 크기인 약 4cm³의 작은 크기에도 불구하고, 세슘-137을 사용했을 때 288 나노와트, 코발트-60을 사용했을 때 1.5 마이크로와트의 전력을 생산한다. 또한, 방사성 물질이 배터리 자체에 포함되지 않아 안전하게 사용할 수 있다는 장점이 있다.

이 혁신적인 배터리는 앞으로 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 고준위 방사성 폐기물 저장소에서 폐기물 저장 시설의 전력 공급원으로 활용될 수 있으며, 심해 탐사나 우주 탐사와 같이 극한 환경에서 장기간 작동하는 전력원으로도 유용하다. 또한, 작고 안전한 전력원이 필요한 소형 센서나 마이크로 전자 기기 분야에도 적용 가능하다.

물론, 연구진은 상용화를 위해 몇 가지 중요한 과제를 해결해야 한다. 더 많은 전력을 생산할 수 있도록 출력 규모를 확대하고, 에너지 변환 효율을 높여 배터리의 성능을 향상시켜야 한다. 또한, 대량 생산을 위한 안정적인 제조 공정을 확립하고, 장기간 사용 시 배터리의 성능과 안전성을 검증해야 한다.

레이먼드 카오 교수는 "우리는 폐기물로 여겨지던 것을 보물로 바꾸려 노력하고 있다"고 강조하며, 이 기술의 잠재력을 높이 평가했다. 이 연구는 미국 에너지부의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 '옵티컬 머티리얼즈: X(Optical Materials: X)' 저널에 발표됐다.

상용화까지 넘어야 할 '산 넘어 산'⋯인류, '무한 에너지 시대' 열 수 있을까

핵 배터리 기술은 중국에서도 활발히 연구되고 있다. 베타볼트(Betavolt)는 휴대폰, 드론, 의료 기기 등 상업적 응용 분야를 위한 핵 배터리 대량 생산을 목표로 하고 있다. 이 회사는 이미 14차 5개년 계획에 따라 이 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

이브라힘 옥수즈 연구원은 "핵 배터리 개념은 매우 유망하며, 앞으로 에너지 생산 및 센서 산업에서 중요한 역할을 할 것"이라고 전망했다. 특히 그는 "전력 출력 측면에서 획기적인 결과"라며 "아직 개선의 여지가 많지만, 앞으로 이 접근 방식이 에너지 생산 및 센서 산업 모두에서 중요한 공간을 차지할 것"이라고 강조했다. 하지만 상용화를 위해서는 제조 비용 절감, 효율성 향상, 안전성 검증 등 해결해야 할 과제가 남아있다.

섬광 결정의 효율성을 높이는 것도 중요한 과제다. 연구진은 "결정의 모양과 크기가 최종 전기 출력에 영향을 미치며, 더 큰 부피는 더 많은 방사선을 흡수하고 더 많은 빛을 생성한다"고 밝혔다. 또한 "더 큰 표면적은 태양 전지가 더 많은 전력을 생성하는 데 도움이 된다"고 덧붙였다. 이는 섬광 결정의 미세 구조를 최적화하는 연구가 핵 배터리 성능 향상에 필수적임을 보여준다. 다시 말해, 섬광 결정의 효율을 극대화하기 위해서는 결정의 크기, 모양, 표면적 등을 정밀하게 제어하는 기술이 필요하다는 뜻이다.

레이먼드 카오 교수는 "핵 배터리 기술이 미래 에너지 시장을 선도할 수 있도록 지속적인 연구 개발을 이어갈 것"이라고 밝혔다. 그는 "이 기술을 확장하는 데 비용이 많이 들 수 있지만, 안정적으로 제조할 수 있다면 충분히 경쟁력이 있을 것"이라고 전망했다. 또한, "안전하게 구현된 후 얼마나 오래 지속될 수 있는지 등 배터리의 유용성과 한계를 평가하기 위해 추가 연구가 필요하다"고 강조했다.

인류는 오랫동안 에너지 문제 해결을 위해 끊임없이 노력해 왔다. 핵폐기물 배터리 기술은 이러한 노력의 결실 중 하나로, 아직은 초기 단계이지만 무한한 잠재력을 지니고 있다. 이 기술이 상용화되어 인류에게 무한한 에너지를 제공하는 '약속의 땅'으로 우리를 인도할 수 있을지, 앞으로의 연구 결과에 귀추가 주목된다. 폐기물을 에너지로 바꾸는 이 '연금술'은 인류의 오랜 숙원을 해결하고 지속 가능한 미래를 여는 열쇠가 될 수 있을 것이다.