August 22,2018

화성 유인 기지 앞당길 ‘소형 원자로’

고효율 저비용 에너지로 유일… 킬로파워 시스템

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화성에 인류를 정착시키려는 스페이스X의 ‘화성 식민지 프로젝트’나 네덜란드의 ‘마스원(Mars One) 프로젝트’ 같은 도전들이 과연 성공할 수 있을까.

NASA가 화성 유인기지 건설을 위해 소형 원자로를 개발하고 있다 ⓒ NASA

NASA가 화성 유인기지 건설을 위해 소형 원자로를 개발하고 있다 ⓒ NASA

사실 현재의 과학기술 수준으로는 화성에 사람을 보내는 일조차 버거운 상황이다. 보내는 것 자체도 어렵지만, 그 과정에서 예측할 수 없는 문제에 봉착할 가능성이 상당히 높기 때문이다.

이처럼 사람을 화성에 보내는 것조차 쉽지 않은 상황에서 화성 현지에 기지를 건설하고 사람이 거주할 수 있도록 한다는 것은 그야말로 꿈같은 이야기라 할 수 있다. 그런데 최근 들어 미 항공우주국(NASA)이 그런 꿈을 현실로 만들어 주는 에너지 시스템을 개발하고 있어 주목을 끌고 있다. (관련 기사 링크)

소량의 우라늄만으로도 10년간 작동할 수 있어

사람이 화성 현지에서 거주하려면 기본적으로 물과 식량 외에도 에너지 문제를 먼저 해결해야 한다. 가장 안전하면서도 쉽게 확보할 수 있는 에너지로는 태양광을 생각할 수 있지만, 기지 전체를 가동시킬 수 있을 정도의 효율은 낼 수 없으므로 적합한 대상은 아니다.

따라서 NASA는 오래 전부터 우주 탐사를 위한 에너지로 원자력을 점찍고 이에 대한 연구를 진행하여 왔다. 위험하고 제어가 쉽지 않다는 단점은 있지만, 효율만 놓고 보면 현존하는 최고의 에너지임이 분명하기 때문이다.

원자력이라고 해서 원자력 발전소 같은 엄청난 규모의 시설을 말하는 것은 아니다. 10kW급 전력을 생산할 수 있는 원자로로서, 우주선이 싣고 갈 수 있을 정도로 작고 가벼워야 하기 때문에 사람 키만한 소형으로 개발되고 있다.

또한 화성 현지에서는 대형 냉각장치나 냉각수를 구하기 어려운 환경이기 때문에 자체적인 냉각 시스템을 지닌 형태로 제작되고 있다. NASA 연구진은 이 원자로에 ‘킬로파워(Kilo Power)’라는 이름을 붙이고 현재 프로토타입 규모로 제작하고 있다.

NASA가 개발 중인 원자로는 우주선에 탑재시킬 만큼 소형이다 ⓒ NASA

NASA가 개발 중인 원자로는 우주선에 탑재시킬 만큼 소형이다 ⓒ NASA

킬로파워 개발에 참여하고 있는 NASA 관계자는 “소형의 원자로지만 효율은 그 어떤 발전기보다 뛰어나다”라고 강조하며 “소량의 우라늄만으로도 10년간 작동할 수 있을 정도”라고 밝혔다.

관계자의 설명에 따르면 킬로파워 전력 생산의 원리는 핵연료봉에서 나오는 열에너지로 스털링 엔진(stirling engine)을 작동시켜 발전(發電)을 하는 것으로 나타났다.

스털링 엔진은 작은 크기와 단순한 구조로 설계되어 있고, 작은 온도 차이만 있더라도 전력 생산이 가능하기 때문에 행성 현지용 발전기의 부품으로 가장 적합하다는 것이 관계자의 설명이다.

NASA의 관계자는 “킬로파워가 기대하는 만큼의 효율을 낼 수 있다면 과거에 개발했던 원자로보다도 훨씬 많은 에너지를 안정적으로 공급받을 수 있을 것으로 보인다”라고 예상하면서 “그렇게만 된다면 과거에는 어려웠던 대형 우주선의 제작이나 우주 기지 건설에 필요한 에너지를 더 안정적으로 공급받을 수 있게 될 것”이라고 기대했다.

1950년대부터 시작된 미국의 원자로 개발 역사

미국이 원자력을 우주탐사용으로 개발하기 시작한 것이 킬로파워가 처음은 아니다. 이미 지난 1950년대부터 시작하여 1960년대 들어 활발한 연구가 이루어졌다.

대표적인 개발 프로그램으로는 1960년대 선을 보인 ‘원자력 보조 전력체계(SNAP)’ 프로젝트가 대표적이다. 당시 NASA는 이 프로젝트를 기반으로 두가지 원자로 시스템을 개발했다.

첫번째 시스템은 ‘방사성 동위원소 열전 원자로(RTG)’로서 방사성 원소의 붕괴 시 발생하는 열을 이용하는 방식이다. RTG는 지금도 화성을 탐사중인 큐오리시티를 포함하여 수십개의 착륙선들에게 동력을 공급하는 용도로 사용되고 있다.

두번째 시스템으로는 원자력발전소와 같은 원리인 원자 분열에 의한 원자로를 꼽을 수 있다. 이 방식으로 만들어진 SNAP-10A는 지금도 우주공간에 떠있는 유일한 미국 원자로다.

우주 탐사를 위한 목적으로 1960년대 개발된 SNAP 원자로 ⓒ NASA

우주 탐사를 위한 목적으로 1960년대 개발된 SNAP 원자로 ⓒ NASA

1965년 발사 후 43일만에 고장이 나면서 현재는 우주를 그냥 떠돌기만 하는 우주 쓰레기로 전락했지만, 1300km 궤도에 위치해 있기 때문에 지상으로 떨어질 가능성은 거의 없는 상황이다.

이후 20여년이 지난 80년대에 접어 들어 NASA는 SNAP-10A보다 더 큰 원자로인 SP-100을 개발했으나 안전성 및 예산 문제로 인하여 1994년에 취소됐다. 그리고 10년 뒤인 2000년대에 접어들면서 이름만큼이나 안정성이 높은 세이프(SAFE)라는 원자로를 개발했으나 역시 예산 문제로 인해 실용화되지 못하고 중단됐다.

이렇듯 여러 차례 원자로 개발 계획을 세웠지만 결국 취소되거나 보류된 이유에 대해 NASA의 관게자는 “안전 문제와 더불어 예산 삭감으로 인하여 우주선 제작 및 우주 기지의  건설이 취소되었기 때문에 자동적으로 원자로 개발도 중단되었다”라고 밝혔다.

이처럼 우여곡절을 겪었던 소형 원자로 개발은 지난 2014년에 시작된 NASA의 ‘게임 체인징 발전 프로그램’을 통해 기사회생하게 된다. 3년 동안 총 1500만 달러의 예산이 투입되는 킬로파워 개발 프로그램으로 이어지게 된 것.

이에 대해 NASA 부설 글렌연구소의 리 메이슨(Lee Mason) 박사는 “1960년대의 SNAP 프로그램 이래 우주에서 사용할 수 있는 원자로를 가동시키는 것은 킬로파워가 처음”이라고 밝히며 “현재 진행하고 있는 실험은 킬로파워의 설계와 성능을 평가하기 위한 것인 만큼 앞으로 더욱 정밀하고 성능이 뛰어난 원자로 시스템을 개발해 나갈 것”이라고 다짐했다.

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