달과 화성에 원자로 설치 가능한가? – Sciencetimes

달은 낮과 밤이 각각 14 일씩 계속된다. 따라서 달 탐사는 낮 사이에 착륙 탐사 활동을하여 태양 광이없는 밤에는 대기 상태로 전환하는 편이다. 그러나 아르테미스 계획처럼 사람이 달에 장기간 머물고 있으면 항상 전력을 생산 할 필요성이있다.

지난 2 일 항공 우주 매체 ‘스페이스 뉴스’에 따르면 미 항공 우주국 (NASA)은 달과 화성 탐사를위한 “핵분열 표면 출력 (Fission Surface Power)”1 단계 사업에 참여하는 기업은 다음 달 초까지 공식 제안을 요청할 예정이다. 이 프로젝트는 달에 설치되는 10kW 급 소형 원자로를 2027 년까지 개발하는 것을 목표로한다.

달에 설치된 「킬로미터 파워 “원자로 상상도. ⓒNASA

NASA는 미국 에너지 부 (DOE)와 함께 2015 년부터 ‘킬로미터 파워 (Kilopower)’라는 우주 원자력 프로젝트를 진행 해왔다. 지난 2018 년 3 월 네바다 시험장에서 킬로미터 파워의 첫 번째 기술 데모에 성공했지만, 당시 공개 된 ‘집게 (KRUSTY) “시험로는 고농축 우라늄 (HEU)을 사용하여 최대 1kW의 전력 를 생산하도록 설계되었다.

앞으로 진행되는 공모 사업은 집게 기술을 기반으로 10 배의 출력의 원자로를 개발하게된다. NASA는 미래의 화성 거주지에 4 개 이상의 10kW 급의 원자로를 설치하고 필요 최소한의 전력을 생산할 계획이다.

유도 핵분열을 이용한 최초의 우주 원자로

깊은 우주 탐사기는 “방사성 동위 원소 열전기 발전기 (Radioisotope thermoelectric generator, RTG) ‘라는 핵 장치를 구비 할 예정이다. 태양에서 멀어 질수록 태양 패널만으로는 충분한 전력을 얻을 難しくだ. 화성에 착륙 한 바이킹 1,2 호와 큐리오 시티 로버도 RTG를 사용했다.

RTG는 주로 플루토늄 -238의 자연 방사성 붕괴에서 나오는 열을 이용한다. 그러나 원자력 협정에 따라 플루토늄 생산은 제약을 받는다. 또한 수백 와트에 불과한 출력이 서서히 저하되는 단점도있다. RTG를 3 개씩 탑재 한 보이저 1, 제 2 호의 첫 번째 출력은 470W 였지만, 2011 년이되면 270W 이하로 떨어졌다.

킬로미터 파워 데모를 위해 최선을 다하고 기술자들. ⓒNASA

킬로미터 파워는 프리 피스톤 방식의 스털링 기관을 적용한 본격적인 유도 핵분열 발전 장치. 일반 원자로와 마찬가지로 붕소 막대기를 제어봉에 사용하지만, 금속 나트륨을 냉각재로 사용하여 설치 및 휴대가 편리하다.

NASA의 우주 기술의 사명 국의 앤서니 칼 민호 (Anthony Calomino) 핵 시스템의 포트폴리오 매니저는 “킬로미터 파워는 달의 지속적인 활동, 특히 달 밤에 생존하는 데 도움이됩니다”며 “유인 달 면 임무는 우주 핵분열 시스템을 개발하고 테스트 할 수있는 기회를 제공한다 “고 말했다.

우주 원자로 과연 안전한가?

우주 원자로에 대한 대중의 불신이 깊다. 만약 운반 로켓이 공중 폭발하는 넓은 지역에 방사성 물질을 살포 아닌가하는 생각이 확산되고 있기 때문이다.

이에 대해 킬로미터 파워 연구자는 사고가 발생해도 매우 안전하다고 전했다. 그 이유는 지구상의 대부분의 원자로와는 다른 물과 같은 액체 냉각제를 사용하지 않기 때문이다. 물이 너무 뜨겁되는 증기 폭발을 일으킬 수 있으며, 오염 물질을 더 쉽게 퍼트려 문제가된다. 한편 킬로미터 파워 히트 파이프에 포함 된 나트륨은 열에 의해 녹을 때까지 고체 상태를 유지한다.

화성 거주지에 4 10kW 급 킬로미터 파워를 설치 한 상상도이다. 멀리 떨어진 태양 광 발전 시설도 연결된다. ⓒNASA

연료로 사용하는 우라늄 -235의 위험성도 대중의 선입견과는 달리 매우 낮다고한다. 킬로미터 파워 프로젝트의 책임자 인 패트릭 맥 클루 어 (Patrick McClure) 로스아루 라모스 연구소 수석 연구원은 “만약 발사대에서 로켓 폭발이나 화재 등의 사고가 발생했을 경우 1km 떨어진 곳의 방사선 측정 값은 자연 방사선 량보다 훨씬 적은 것 “이라고 밝혔다.

가장 위험한 시나리오는 원자로가 우연히 작동하는 경우가 킬로미터 파워의 설계 방식에 실제로는 거의 불가능하다. 연구자들은 최악의 경우에도 발사 도중 원자로가 작동 할 가능성이 희박하다고 말했다.

화성의 차량에 탑재 한 킬로미터 파워. 텅스텐 방열판을 양산처럼 접거나 펼칠 수있다. ⓒNASA

그러나 킬로미터 파워는 경량화를 위해 고농축 우라늄을 연료로 사용한다. 핵무기도 사용할 수 고농축 우라늄의 도입은 핵 비확산 사회의 우려를 불러 일으켰다. 그런 문제 제기에서 저 농축 우라늄 (LEU)의 사용도 신중하게 고려되고있다.

NASA와 미국 에너지 부는 이번 1 단계 사업 참여 기업 중 하나를 선정 해 2022 년부터 2 단계 사업을 추진할 예정이다. 제조 업체와 프로젝트의 비용 분담을 통해 예산을 줄이는 방법도 검토되고있는 것으로 나타났다.

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