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기타공학/비행기

열핵 엔진, 상용화가 목표인 차세대 원자력 로켓 엔진


원자력 엔진 중 가장 먼저 등장할 것으로 보이는 열핵 로켓 엔진

 


이전 포스팅에서는 원자력 로켓엔진의 일종인 핵펄스 엔진에 대해 살펴봤습니다



핵폭탄을 터트려 추진하겠다는 정말 똘끼 철철 넘치는 상남자의 방식인데요. 폭발 에너지를 다루기 힘들고, 현실성이 떨어지는 관계로 관련 연구는 중단된 채 사장되었습니다.



NukeWorker.com


 

그러나 현 시점에서 원자력을 뛰어넘는 효율의 상용 에너지는 없습니다. (방사선 폐기물을 제외한 순수 핵연료 기준) 



우주개발 분야에서 원자력은 여전히 매력적인 에너지원이지요. 나사를 비롯한 전 세계에 물리덕후들이 원자력을 로켓 추진에 사용하기 위헤 여전히 연구에 매진중입니다.





 

현재까지 등장한 원자력 추진 엔진은 크게 세 가지 정도인데요


원자로의 반응열로 연료를 팽창시켜 추진하는 열핵엔진


원자로의 전력으로 플라즈마를 가속시켜 추진하는 핵전자엔진


그리고 마지막으로 핵융합로의 반응열로 연료를 팽창시켜 추진하는 핵융합엔진입니다.




이걸 카테고리로 묶어 보면 대충 이렇습니다.



열을 이용해 연료를 팽창, 배출시키는 엔진 – 열핵엔진, 핵융합엔진


전기 이용해 연료를 팽창, 배출시키는 엔진 – 핵전자 엔진

 

핵분열을 에너지원으로 쓰는 엔진 – 열핵엔진, 핵전자엔진


핵융합을 에너지원으로 쓰는 엔진 – 핵융합엔진



이들 엔진이 모두 가진 공통점이 하나 있습니다. 모두 원자력 외에 별도 연료가 필요하다는 것입니다


  

http://william-black.deviantart.com




열핵엔진과 핵융합 엔진의 탑재 연료는 액체 수소가 가장 유력한데, 수소를 원자력에서 얻은 고온의 열에 노출시켜 팽창시키겠다는 것입니다



말이 팽창이지 온도가 높아 거의 폭발에 가깝다고 봐야겠지요



http://www.nextbigfuture.com




핵전자 엔진은 이온엔진에 달릴 가속기의 전력을 원자로에서 만들겠다는 소리이므로, 역시 제논과 크세논같은 불활성 가스가 추진 연료로 필요합니다.


 

연료가 필요하다는 건. 원자력 추진기관이 무한정 가동될 수 없다는 뜻과 같습니다



따라서 원자력추진로켓은 화학엔진로켓의 발전형 정도로 보면 되고, 워프를 한다던지, 광속이동을 하는 기술은 앞으로도 영화에서나 접할 수 있습니다.



www.wired.com


 

각설하고, 원자력 로켓 중 가장 먼저 등장할 것으로 보이는 엔진은 열핵 엔진입니다. 이미 1967년 첫 시험이 행해졌을 정도로 오랜 연구가 이루어졌지요



메커니즘도 심플한 편입니다. 핵분열이 이뤄지는 원자로 내에 엑체수소를 직접 흘린다는 것



en.wikipedia.org




구조상 단순하지만, 원자로 내의 핵연료가 연료와 직접 섞인다는 점에서 방사선 배출이 크다는 단점이 있지요. 



1단에는 사용이 어렵고, 대기권을 탈출한 이후의 2단이나 3단에 사용이 가능한 엔진입니다



(원자력 발전소의 원자로는 5겹의 방호벽으로 둘러 쌓여있고, 열교환기라는 장치에 의해 외부로 열만 전달됩니다.)



falsesteps.wordpress.com


 

원자로의 크기만 작게 할 수 있다면, 화학로켓엔진보다 높은 비추력을 낼 수 있을 것으로 예상되었습니다



공돌이를 열심히 갈아내어 위성에 실을 수 있을 정도로 작은 원자로를 개발해 내기도 했지요. 아폴로의 발사체인 새턴 V의 2, 4단 로켓에 적용이 검토될 정도로 적극적이었습니다.



en.wikipedia.org




하지만 막상 열핵엔진을 만들어 시험해 보니 안습. 비추력이 화학로켓엔진의 1/10에 지나지 않았습니다



반응로의 온도가 3300도씨 까지 올라갔는데, 고온을 견디게 하는 소재와 구조가 생각보다 무거웠던 탓이었습니다



발사단계에서 폭발이라도 하면 방사능 낙진을 뒤집어 써야 하는 리스크도 있었으니, 차라리 일반 엔진을 쓰는 편이 훨씬 나았지요



결국 1970년대 중반, 문레이스가 미국의 승리로 돌아간 이후 열핵엔진 개발은 잠정 중단되게 됩니다.



en.wikipedia.org




그랬던 것이 최근, 미국과 러시아간의 유인 화성탐사가 대결이 점화되면서, 차세대 엔진으로 다시 각광을 받고 있습니다



화성을 왕복하기까지는 거의 3년 이상 걸리는데, 이를 열핵엔진 개발을 통해 단축하겠다는 구상입니다



러시아가 가장 적극적인데, 2018년까지 약 5천억원을 들여, 열핵로켓을 기반으로 한 우주 수송·에너지 모듈을 개발하겠다고 선언한 상태 입니다.

 


www.hurriyetdailynews.com



어떤 방식의 핵추 진인지는 밝혀지지 않았지만, 전문가들의 추측으로는 열핵엔진일 가능성이 높다는군요



중간중간 흐름이 끊기긴 했어도 오랜기간 동안 연구가 이어져서 개발이 가장 용이하다고 합니다



핵융합 엔진은, 아직 핵융합로가 나와있지 않은 상태여서 불가능하고, 핵전자 엔진은, 지난번 이온엔진에서 언급한 대로 아직 충분한 출력을 낼 수 있는 단계가 아니거든요



testing.anonkun.com




문제야 어쨌던 일단 개발하고 보는 패기넘치는 러시아인지라, 지금의 움직임만 본다면, 불과 십여년 뒤에 가시적인 성과를 내어 놓을지도 모르겠습니다. ^^;;;


 

열핵로켓 - 위키피디아 (영문)