원자력 폐기물이 전기로… 감마선 활용한 신개념 배터리 개발

원자력 발전은 이산화탄소를 거의 배출하지 않아 친환경 에너지원이라고 불리지만, 완벽히 깨끗한 에너지로 보기엔 분명히 아쉬운 점이 있다. 원자력 폐기물 때문이다. 이 문제는 과거부터 지금까지 전 세계가 씨름하고 있는 난제로, 수십 년을 넘어서 수천 년을 고민해야 할 숙제이기도 하다.

이런 상황에서 최근 미국 오하이오주립대학교 연구팀이 이 원자력 폐기물을 활용해 전기를 만드는 기발한 방법을 고안했다는 소식이 전해졌다. 이들은 원자력 폐기물에서 나오는 감마선이라는 방사선을 전기로 변환하는 데 성공했다. 실제로 이 전력으로 마이크로칩을 가동시킬 정도의 결과를 얻었다고 하니, 이 기술이 실제 상용화된다면 원자력 발전의 지속 가능성을 높이는 것은 물론, 해결 불가능해 보였던 방사성 폐기물 문제에도 새로운 돌파구가 될 수 있지 않을까 기대된다.

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‘깨끗하다’ 하지만 정말 깨끗할까?

 

우선 원자력 발전의 원리부터 간단히 살펴보자. 원자력 발전은 우라늄 같은 물질의 핵분열로 열을 만들어내고, 그 열로 전기를 생산하는 방식이다. 연료를 조금만 사용해도 엄청난 양의 전기를 얻을 수 있고, 석탄이나 석유 같은 화석연료를 쓰지 않아 한국처럼 천연자원이 부족한 국가들엔 아주 유용한 방식이다. 발전 과정에서 이산화탄소나 온실가스를 거의 배출하지 않는다는 점도 장점으로 꼽힌다.

그런데 이렇게 좋은 것만 있는 건 아니다. 원자력 발전에서 가장 골치 아픈 문제는 바로 ‘방사성 폐기물’ 처리다. 특히 사용 후 핵연료 등 고준위 폐기물의 경우, 수만 년이 지나도 사람과 환경에 치명적인 방사선을 계속 내보낸다. 그래서 버릴 수도 없고, 단순히 묻어서도 안 되는 골치 아픈 ‘핵 쓰레기’가 되어버리는 것이다. 이 핵 쓰레기를 안전하게 처리하고 관리하려면 어마어마한 비용과 사회적 책임이 필요하다. 당장 지금 세대뿐 아니라 미래의 수많은 세대가 짊어져야 할 짐이기도 하다.

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골칫덩이 원자력 폐기물에서 ‘전기’를 뽑아내다

 

 

오하이오주립대 연구팀은 여기서 재미있는 발상을 했다. ‘버릴 수도 없고 처리하기 어려운 이 핵 쓰레기에서 오히려 전기를 만들어내면 어떨까?’라는 역발상이었다.

연구팀이 개발한 기술의 핵심은 ‘섬광체 결정(신틸레이터 결정)’이라 불리는 고밀도 물질이다. 이 결정은 방사선을 흡수하면 그걸 다시 빛으로 바꿔주는 성질을 가지고 있다. 연구팀은 이 점에 착안해 섬광체 결정을 방사성 폐기물 옆에 두고, 여기서 나온 빛을 태양광 발전 패널과 비슷한 원리로 다시 전력으로 변환하는 방식을 개발했다.

연구팀은 실제로 작은 정육면체 모양(한 변이 약 4cm)의 프로토타입 배터리를 만들어, ‘세슘137’과 ‘코발트60’이라는 방사성 물질로 실험했다. 실험 결과, 세슘137로는 288나노와트(nW) 정도의 미세한 전력만 얻었지만, 코발트60으로 실험했을 때는 최대 1.5마이크로와트(µW)의 전기를 얻는 데 성공했다. 물론 이 정도 전력으로 냉장고나 세탁기 같은 가전제품을 돌리는 건 꿈도 못 꾸지만, 소형 센서나 마이크로칩 정도는 충분히 가동할 수 있는 수준이다.

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버려진 ‘쓰레기’가 ‘보물’이 되는 기술

 

 

가정에서 사용하는 가전제품들은 대부분 수백에서 수천 와트의 전력을 소비하기 때문에, 연구팀이 얻은 미세한 전력으로 가정용 제품을 움직이는 건 불가능하다. 하지만 이번 기술은 애초부터 일반 가정에서 쓰려고 개발된 것이 아니다. 연구팀이 구상한 활용처는 원자력 발전소 내 사용후핵연료 저장시설이나 사람이 쉽게 접근하기 어려운 우주탐사 장치, 심해 탐사 로봇 같은 특수한 환경이다.

게다가 이 기술은 앞으로 발전 가능성이 충분하다. 연구팀에 따르면 섬광체 결정의 크기와 형태를 최적화하면, 훨씬 더 많은 방사선을 흡수할 수 있고, 그 결과로 전력 생산량도 크게 증가할 수 있다. 또한, 방사성 폐기물이 어차피 사람의 접근이 불가능한 고방사선 지역에 보관되고 있으므로, 이 배터리를 설치한다고 해서 환경 오염이 추가로 심각해질 걱정도 없다. 무엇보다 장기간 별도의 유지 보수 없이 계속 전기를 생산할 수 있다는 것도 큰 매력이다.

연구팀은 앞으로 이 기술이 더욱 발전하면 에너지 분야나 특수 센서 등 여러 산업에 중요한 역할을 하게 될 것으로 보고 있다. 이번 연구를 이끈 레이먼드 차오(Raymond Cao) 교수는 자신들의 성과를 이렇게 표현했다.

“우리가 하는 일은 지금까지 ‘쓰레기’로 취급받던 핵폐기물을 다시 수집해서, 새로운 가치를 가진 ‘보물’로 탈바꿈시키는 겁니다.”

현재까지 핵폐기물은 골칫거리로 여겨져 왔다. 하지만 이번 기술이 본격적으로 실용화된다면, 방사성 폐기물이 새로운 에너지원으로 다시 태어나 우리에게 큰 도움을 주는 날이 올지도 모른다. 이 연구 결과는 국제 학술지인 “Optical Materials: X”에 2025년 1월 29일 자로 게재되었다.

REFERENCE