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지구 중심의 우주활동이 확대됨에 따라 지구 관측용 위성, 통신용 위성 등의 활용과 이를 위한 지상 설비들의 구축으로 우주 경제의 규모가 점점 커지고 있다.

그런데 2026년으로 예측되는 인간의 제2의 달 착륙을 기점으로 우주의 영역은 지구 중심에서 지구 밖으로 더욱 확대될 것으로 기대된다. 미국과 중국이 이미 달의 유인 기지화를 계획하고 있으며, 달 기지를 활용하여 화성 유인탐사도 준비하고 있다. 그리고 화성의 유인탐사에 필요한 여러 가지 기술들이 달에서 먼저 구현될 것이다.

이러한 기술들 중에서 가장 필수적인 기술이 높은 효율의 추진기관 기술이다. 달까지 가는데는 시간이 많이 소요되지 않지만, 화성까지 가기 위해서는 기존의 추진기관으로는 적어도 200일 이상이 소요된다. 장시간의 우주 여행은 방사능, 저중력 환경 등으로 인체에 악영향을 끼치며, 생존에 필요한 필수품의 양도 크게 늘어난다. 또한 탐사선의 추진에 필요한 연료의 양도 많이 필요하기 때문에 탐사선의 크기도 매우 커진다. 따라서 기존의 화석연료 기반의 추진기관에 비해서 비추력이 훨씬 높은 새로운 개념의 추진기관이 필요하며, 현재 NASA에서는 유인 화성 탐사선의 추진기관으로 원자력 추진기관을 개발하고 있다[1,2].

원자력 추진기관은 원자력 열추진(Nuclear Thermal Propulsion)과 원자력 전기추진(Nuclear Electric Propulsion)으로 나뉜다. 원자력 열추진은 비추력이 900 초에서 1000 초 정도로 기존의 화석연료 기반의 추진기관에 비해서 2배 이상으로 크고, 기존과 비슷한 운용 개념으로 탐사선에 활용될 수가 있기 때문에 적용하기가 용이하나, 방사능에 오염된 추진제가 직접 대기로 배출되기 때문에 지상 시험이 매우 까다롭고, 추진제인 수소의 장기 저장에 기술적인 어려움이 있다.

반면에 원자력 전기추진은 비추력이 2000 초 이상으로 화석연료 추진기관보다 5배 이상으로 큰 장점이 있으나, 추진기관 시스템의 비중량이 13 kg/kW 이상으로 매우 무겁고 전력당 추력도 0.05 N/kW 이하로 매우 적다[3-5]. 따라서 큰 추력으로 단번에 지구를 탈출하는 충동식 추진을 사용할 수가 없고, 대신에 나선형으로 지구를 돌면서 조금씩 속도를 높여 탈출해야 한다. 화성으로 진입할 때도 화성의 진입 속도로 급격하게 속도를 낮출 수가 없기 때문에 지구에서 화성으로 비행하는 동안에 가속 및 감속으로 화성속도에 맞추어 진입해야 된다. 이러한 이유로 요구되는 속도증분(∆V)의 양도 크고 비행시간도 많이 소요된다. 따라서 화석연료 추진기관과 함께 하이브리드 방식으로 사용되는 방안도 연구되고 있다[6].

본 연구에서는 향후 화성탐사에서 10톤 이상의 무인 탐사선의 추진기관으로 사용 가능할 뿐만 아니라, 클러스터링 혹은 하이브리드 방식으로 사용할 경우에는 200톤 이상의 유인 탐사선의 추진기관으로도 확장하여 사용이 가능한 500 kW 원자력 전기추진 시스템을 연구 대상으로 정하여 시스템에 대한 개념 설계 및 해석을 수행하였다.

원자력 전기추진 시스템에서 열을 전기로 변환하는 방식은 스터링 사이클, 브레이튼 사이클,랭킨 사이클 등이 있는데, 수백 kW급에서는 비중량 측면에 가장 유리한 브레이튼 사이클이 적당하다[7,8]. 본 연구의 500 kW 원자력 전기추진 시스템도 브레이튼 사이클로 구성하며 개략도는 Fig. 1과 같다.

Fig 1. 
Layout of nuclear electric propulsion.

시스템이 작동되는 원리를 간략히 설명하면, 원자로가 시스템에 열을 공급하는 열원이며 원자로에서 가열된 유체는 터빈으로 유입되어 일정량의 동력을 생성한다. 터빈 출구에서 압력과 온도가 떨어진 유체는 리쿠퍼레이터에서 시스템 내부적으로 열 교환을 하고 다시 온도가 떨어진다. 리쿠퍼레이터를 통과한 작동유체는 시스템 외부로 열을 방출하기 위하여 가스쿨러로 유입된다. 작동유체는 가스쿨러에서 다시 온도가 떨어지고 압축기 입구로 유입된다. 압축기에서는 유체가 시스템 내부에서 작동될 수 있도록 압력 상승이 생기며 이에 따라 온도도 올라간다. 그리고 리쿠퍼레이터를 통과하면서 온도가 다시 상승되어서 원자로의 입구로 유입된다. 가스쿨러에서 추출된 시스템의 열은 래디에이터로 전달되어 우주로 방출된다. 터빈에서 생성된 동력에서 작동 유체를 압축하기 위하여 필요한 동력을 제외하면 시스템의 최종 전기 출력값이 된다. 이 전기 출력은 추력기로 전달되어 탐사선의 추진력을 만든다.

시스템의 작동유체는 헬륨과 제논의 혼합 기체를 사용한다. 열역학적 측면에서는 비열량이 가장 큰 헬륨이 작동유체로는 가장 효과적이나, 무게당 부피가 매우 커서 압축하는데 많은 어려움이 있고 시스템의 무게도 매우 무거워진다[9]. 따라서 브레이튼 사이클에서는 일반적으로 다른 기체와 혼합하여 사용하는데, 본 연구에서는 제논에 헬륨을 전체 무게 비율로 7.2% 정도 혼합한 기체를 사용한다. 이때의 혼합기체의 정압비열 값은 0.52 K/kg/kJ이 된다[10].

시스템을 구성하는 각 구성품들에 대한 개념설계는 경험 및 조사분석을 통하여 현재 혹은 가까운 미래의 기술 범위 내에서 구현 가능한 값으로 정하여 결정한다. 이렇게 정하여진 구성품들의 설계치는 시스템의 해석을 통하여 계속적으로 최적의 값으로 수렴되어져야 한다.

2.4 래디에이터

원자력 전기추진을 사용하는 우주선의 부피(혹은 면적)중에서 약 60% 정도로 가장 큰 부피를 차지하는 것이 열을 방출하는 래디에이터이다. 부피 뿐만 아니라 무게도 전체 시스템에서 상당량을 차지하기 때문에 래디에이터의 설계는 전체 우주선의 설계에서 매우 중요한 부분을 차지한다[13].

가스쿨러의 작동유체인 NaK는 브레이튼 사이클 내부의 열을 추출하여 온도가 상승한 상태로 가장 가까운 래디에이터로 들어가게 된다. 래디에이터의 패널은 양쪽면에서 모두 열이 방출되는 탄소 복합소재로 만들어진 패널이며, 패널에서의 열 교환은 Fig. 2와 같이 히트 파이프를 사용하여 일어난다.

Fig 2. 
Layout of radiator and heat pipe.

히트 파이프에서의 열 교환은 래디에이터로 들어온 NaK가 열원이 되고, 히트 파이프의 증발부에서 작동 유체가 증발된다. 히트 파이프의 작동유체는 작동 온도에 따라 물, 소디윰 등을 사용한다. 증발된 기체는 히트파이프를 지나면서 패널을 통하여 열을 방출하고 액화 상태로 된다. 액화된 작동유체는 증발부로 순환되어 NaK로 부터 열을 흡수하여 다시 증발된다. 이 과정을 거치면서 계속적으로 우주로 열이 방출되는 열 교환이 일어난다.

가스쿨러 저온부 출구에서 나온 NaK는 순차적으로 래디에이터를 지나면서 계속적으로 온도가 떨어지게 되고, 최종적으로 마지막 래디에이터를 지나고 난 뒤에 다시 가스쿨러로 회수된다.

우주로 열을 방출하기 위한 래디에이터의 필요 면적 S는 Eq. 1로 계산된다.

S=Qwaste ηfin  ϵ σ Tm4

(1)

여기에서 Q_waste는 사이클 외부로 추출되는 총 열량이고, T_m는 가스쿨러 저온부의 입출구 온도의 평균값이며 래디에이터의 평균 온도를 나타낸다. σ는 스테판-볼츠만 상수로 5.67x10^-8 W/m²⋅K⁴, η_fin는 래디에이터의 핀 효율로 0.95, ϵ는 방사율로 0.9로 설정한다.

앞서 설명한 구성품들에 대한 설계값을 기준으로 시스템의 해석을 수행한다. 시스템의 설계변수 중에서 시스템의 성능에 큰 영향을 미치는 것으로는 압축비, 원자로의 유량당 열용량 및 출구온도이다. 압축비가 낮으면 시스템의 효율은 증가하고 브레이튼 사이클의 중량은 적어지나 레디에터의 중량이 급격히 증가하게 된다. 반면에 압축비가 커지면 시스템의 효율은 감소하고 사이클의 중량은 커지나 래디에이터의 중량이 감소하게 된다. 우주선에 탑재되는 추진용 시스템의 경우에는 효율보다도 중량이 매우 중요한 고려 요소이기 때문에 시스템의 설계시에 중량 관점에서 최적화가 반드시 필요하다. 또한 원자로의 출구온도가 높고 유량당 열용량이 크면 시스템의 성능은 향상되지만, 고온의 핵연료가 필요할 뿐만 아니라 터빈의 입구 온도가 높아지면서 고온의 특수 재질 및 냉각장치 등이 필요하게 된다. 따라서 이러한 시스템의 설계변수 값들은 구성품의 설계 값들과 연동하여 시스템의 성능 및 중량에 많은 영향을 미치기 때문에 해석 및 시험을 통하여 계속적으로 최적화되어져야 할 것이다.

본 연구는 개념 설계된 구성품의 설계값을 바탕으로 시스템의 효율 및 래디에이터의 중량 등을 고려하여 1차적으로 최적화한 설계변수를 사용한 해석 결과이다.

500 kW 원자력 전기추진 시스템의 브레이튼 사이클에 대한 시스템 해석 결과는 Fig. 3과 같다. 본 시스템의 해석은 앞서 2장에서 설명한 각 구성품의 설계값을 기준으로 계산된 결과이다. 시스템의 설계변수인 압축비 및 원자로의 유량당 열용량은 시스템의 효율에 큰 영향을 미치기 때문에 1차적인 최적화를 통하여 설정된 값이다. 이렇게 설정된 압축비는 2.06, 원자로의 유량당 열용량은 187 kW/kg이며, 압축기의 입구온도는 대기압인 101.3 kPa이다.

Fig 3. 
System analysis results of brayton cycle.

앞서 3장에서 설명한 수식에 따라 계산된 시스템 각 부품의 입출구에서의 압력 및 온도는 Fig. 3과 같으며, 최대압력은 압축기 출구에서 208 kPa이며, 원자로의 평균압력은 205 kPa, 터빈에서의 팽창비는 1.95로 계산된다.

또한 시스템의 최대온도는 원자로 출구에서 1450 K이며, 원자로의 평균온도는 1270 K이다. 가스쿨러에서 시스템 외부로 열 추출이 발생한 뒤에 압축기로 유입되는 작동유체의 온도는 전체 시스템에서 최저온도인 436 K이다.

원자로에서 시스템 내부로 공급되는 유량당 열용량이 187 kW/kg인 브레이튼 사이클의 시스템에서 발생한 터빈 동력 및 작동유체를 압축하기 위해 소모된 동력은 Eq. 14와 Eq. 15에 따라 각각 159.1 kW, 89.3 kW로 계산된다. 따라서 시스템의 최종 전기 출력값은 Eq. 16에 따라 61.9 kW로 계산되며, Eq. 17에 따라 시스템의 효율은 33%로 계산된다.

단위 유량당 전기 출력값이 61.9 kW이므로 500 kW 전력을 생산하는 원자력 브레이튼 사이클이 되기 위해서는 작동유체인 헬륨-제논의 유량이 8.08 kg/s가 되어야 한다. 따라서 최종적인 시스템의 해석 결과를 정리하면 Table 1과 같다.

앞서 설명한 바와 같이 원자력 전기추진 시스템에서 중요한 고려 사항은 시스템 전체의 중량이며, 중량에서 가장 큰 비중을 차지하는 것이 래디에이터의 필요 면적이다. 가스쿨러의 저온부와 고온부의 열용량율의 비를 0.5를 설정하였기 때문에 래디에이터로 흐르는 금속유체 NaK의 유량은 8.56 kg/s가 되고, 입출구 온도가 각각 417 K와 529 K이므로 래디에이터의 평균온도는 473 K가된다. 따라서 Eq. 1을 이용하여 래디에이터의 면적을 계산하면 총 390 m²가 필요하게 된다.

500 kW 원자력 전기추진시스템의 브레이튼 사이클에 대한 개념 설계 및 해석 결과로서 시스템의 열효율은 33%이며 래디에이터의 필요 면적은 390 m²이다. 이 해석결과는 설계변수인 압축비, 원자로의 유량당 열용량, 원자로의 출구온도에 따라 매우 다른 성능을 보인다. 또한 각 부품의 설계값으로 설정한 압축기와 터빈의 효율, 리쿠퍼레이터와 가스쿨러의 유용도, 각 부품의 압력 손실 등에 따라 시스템 성능의 변화가 크게 나타난다. 그 외에도 작동유체인 헬륨-제논 혼합기체의 조성 비율에 따라서도 성능의 큰 변화가 생긴다.

따라서 본 연구에서 개념설계된 각 부품 및 시스템에 대한 해석결과를 바탕으로, 향후 기본설계 및 상세설계 단계를 거치면서 각 부품 및 시스템에 대한 최적화가 계속해서 진행되는 것이 필요하다. 특히 각 부품의 중량뿐만 아니라 시스템 전체의 중량 관점에서 최적화가 반드시 필요하다.