열전기 발전기['Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG]의 원리는?

 

 

 

 

 

 '열전기 발전기[Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG]'의 원리는?

✅핵붕괴로 인해 생성되는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로 우주 탐사 장비에 주로 쓰인다. RTG는 일반적으로 핵연료를 사용하는데, '플루토늄 238'을 사용한다.

 

 '플루토늄 238'은 자연적으로 생성되지 않고 핵분열로 생성된다.

✅플루토튬 238은 우라늄 238에 중성자를 흡수시켜 우라늄 239로 변환, 이후 우라늄 239를 베타 붕괴를 통해 플루토늄 239를 생성한다. 이후 플루토늄 239에 중성자를 흡수시키면 핵분열로 플루토늄 238도 생성한다.

'베타 붕괴'란?
✔️베타 마이너스(β^-) 붕괴 : 원자핵 내의 중성자가 양전자로 변화하고, 핵 안정성을 위해 전자가 방출
✔️베타 플러스 붕괴(β^+) : 원자핵 내에서 양전자가 핵 내에 존재할 때 발생하며, 양전자는 전자로 변화하고, 양성 전자흘 가진 중성자가 생성
✔️전자 포획 붕괴 : 원자핵 내에 존재하는 전자가 양전자와 결합해 중성자로 변화

 

출처 : NASA

 

 우라늄 대신 플루토늄을 사용하는 이유는?

✅우라늄이 빠른 핵분열을 일으키지만, 우주 공간에서 장기간 작동하기 위해선 안정성이 중료하기 때문에 플루토늄을 사용한다. *플루토늄은 우라늄보다 핵분열이 상대적으로 느리고, 반감기는 길어서 안정적이다. 따라서 안정적인 보관 및 처리가 가능하다.

'반감기'란?
✔️방사능 물질이 약 절반 붕괴되는데 걸리는 시간을 의미한다. 반감기가 1년이라면, 1년 후에 물질의 절반만 남아있다. 플루토늄 238의 반감기는 약 87.7년이다. 

 

 이렇게 생성된 플루토늄 238은 붕괴를 통해 전기 에너지를 생성한다.

✅플루토늄 238은 자연적으로 붕안정한 상태기 때문에 알파 붕괴를 일으킨다. 그리고 이때 발생하는 열 에너지를 RTG 내부에 있는 교환기를 통해 전기 에너지로 변화시킨다. 

*열 에너지를 흡수해 양 전하를 생성하고 이를 회로에 연결해 전기를 생성한다 이는 두 종류의 다른 금속이나 반도체 등의 재료가 만나고 온도 차이가 있을 때 전기가 발생하는 '열전소 효과(Seebeck effect)'를 이용한 것이다. 한쪽에선 전자 운동이 더 자유롭고, 반대쪽은 그렇지 않기 때문에 전자가 이동하면서 전기가 생성된다.