[한국 과학기술 1번지] 64년 성과 축적…원자력硏 기술력 우주에서도 빛난다

세계 세 번째로 우주용 동위원소전지 개발
고전력 전기추력기 국산화 '심우주 탐사 활용'

한국원자력연구원에서 개발한 고전력 전기추력기. 사진=원자력연 제공

'우리나라 원자력 기술력의 근원.'

핵연료 국산화, 연구용 원자로 '하나로'(HANARO) 자력 설계, 한국표준형원전 개발, 요르단 연구용 원자로(JRTR) 수출 등 한국원자력연구원은 수십 년간 국내 원자력 산업의 주춧돌이 돼왔다.

연구원은 1959년 설립 후 현재까지 64년간 축적한 기술력을 바탕으로 이제는 지구 밖 '우주'에도 시선을 넓히고 있다. 특히 원자력연이 개발한 우주용 동위원소전지와 고전력 전기추력기는 '우주 원자력' 분야에서 이뤄낸 눈부신 대표 성과로 꼽힌다.

홍진태 박사 연구팀은 자체 기술로 우주용 동위원소전지를 개발, 지난해 6월 21일 발사한 누리호 성능검증위성에서 실증에 성공했다. 이는 미국과 러시아에 이어 세계 세 번째로 이뤄낸 개발 성과다.

홍진태 한국원자력연구원 박사가 동위원소전지 시제품으로 우주환경온도 시험을 하고 있다. 사진=원자력연 제공

지구에서 38만㎞ 떨어진 달은 밤이 14일이고, 영하 170℃까지 떨어지는 극한 환경을 지녔다. 이런 상황에선 태양전지가 작동되지 않는 건 물론, 전기를 저장하는 이차전지마저 방전된다. 이런 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 전력 공급원은 동위원소전지, 일명 원자력전지가 유일하다. 동위원소전지는 방사성동위원소가 붕괴하면서 발생하는 열에너지를 열전소자(세라믹으로 이뤄진 절연기판과 전극)에 전달해 전기를 만든다. 외부 동력원 없이도 자체적으로 전기를 생산하고, 온도·압력 등 외부 환경의 영향도 받지 않는다. 40년 동안 충전·교체도 필요 없어 우주 같은 환경에서 사용하기에 가장 적합하다. 연구원은 앞으로도 다양한 규격의 동위원소전지를 개발해 화성·외행성 탐사에도 활용할 수 있도록 할 계획이다.

고전력 전기추력기 성능 검증용 진공챔버. 사진=원자력연 제공

원자력연은 4년간에 걸친 연구 끝에 올해 유인 우주선이나 대형 위성 등을 쏠 수 있는 고전력 전기추력기를 국산화하는 데에도 성공했다. 전기추력기란 전기에너지를 이용해 연료를 가열·가속한 뒤 노즐로 분사해 추진력을 얻는 장치다. 이번에 개발한 전기추력기는 화학식 추력기에 비해 연비가 4배 이상 높아 향후 유·무인 우주선, 대형 정지궤도 위성 등에 활용될 것으로 예상된다.

채길병 박사 연구팀은 열부하를 가장 많이 받는 부품인 양극을 구리로 제작해 내열성을 확보하고, 음극은 토륨-텅스텐 재질로 설계해 전류를 2시간 이상 지속적으로 공급하는 데 성공했다. 현재 실험실 규모에서 성능이 입증된 단계로, 연구팀은 향후 10㎾ 이상의 고전력 전기추력기를 개발해 60㎥ 이상 대형 진공챔버로 성능을 검증할 계획이다. 미국·유럽 등의 전기추력기 기술은 국제무기거래규정에 의해 기술 이전 등이 통제되고 있는 만큼, 이번 성과로 관련 기술 국산화에 이바지할 것으로 전망된다.

고전력 전기추력기 알곤 플라즈마 방전 모습. 사진=원자력연 제공

주한규 한국원자력연구원장은 "더 나은 세상을 위한 원자력 기술개발로 국민에게 가까이 다가갈 것"이라며 "향후 우주 기술 선진국과의 격차를 줄이고 우주에 한 걸음 더 나아갈 수 있도록 최선을 다하겠다"고 말했다.