안전 핵심 '원자로 핵심 부품'도 3D 프린터로 만든다 ORNL team developing 3D-printed nuclear reactor core; Transformational Challenge Reactor (TCR)

원자로 핵심 부품도 3D 프린터로?… 美·英 연구개발 박차

다양한 소재로 제작 가능하고 비용 절감·시간 단축 가능

    원자력 발전에 필요한 설비·부품을 제작하는 것은 복잡한 데다 시간이 오래 걸린다. 이 때문에 원자력발전소를 하나 건설하는 데 가동하기까지 최소 5~6년이 소요된다. 그러나 최근 들어 3D 프린팅 기술로 원자로 부품을 제작하는 시간과 비용을 절감할 수 있을 것이란 기대가 커지고 있다.

미국 에너지부 산하 오크리지 국립연구소(ORNL)는 최근 3D 프린팅을 활용해 원자로 핵심 설계를 구체화하고, 제조 공정에 3D 프린팅을 적극적으로 활용하기 위한 연구개발 프로젝트(Transformational Challenge Reactor·TCR)를 시작했다. ORNL은 3D 프린터로 원자로의 핵심 설비인 노심(爐心·핵분열 반응이 일어나는 곳) 시제품을 출력했다. 앞으로 수명이 다한 수십개의 원자로를 교체해야 하는 미국은 생산 비용을 절감하고 시간을 단축하기 위해 원자로 생산에 3D 프린팅 기술을 접목하고 나섰다.

ORNL scientists have selected and optimized a design for printing over a three-month period, demonstrating the ability to rapidly produce a prototype reactor core. Credit: Brittany Cramer/Oak Ridge National Laboratory, US Dept. of Energy

ORNL team developing 3D-printed nuclear reactor core; Transformational Challenge Reactor (TCR) Researchers at the Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory are refining their design of a 3D-printed nuclear reactor core, scaling up the additive manufacturing process necessary to build it, and developing methods to confirm the consistency and reliability of its printed components. The Transformational Challenge Reactor Demonstration Program’s approach to nuclear energy leverages advances from ORNL in manufacturing, materials, nuclear science, nuclear engineering, high-performance computing, data analytics and related fields. View full text https://www.greencarcongress.com/2020/05/20200513-tcr.html

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토마스 자카리아 오크리지 국립연구소 소장은 "이번 프로젝트는 첨단 원자력 에너지 시스템 구축을 가속화하는 새로운 모델을 제시할 것"이라고 말했다. 빠르게 발전하는 3D 프린팅 기술이 부활하는 미 원전 산업에 새로운 바람을 불어넣을 수 있다는 것이다.

영국도 원자로 제작에 3D 프린팅의 일종인 적층 제조(AM·additive manufacturing) 기술을 활용하기 위해 연구를 진행하고 있다. 영국 셰필드대 첨단제조기술연구센터(AMRC)는 소형모듈원자로(SMR)의 주요 부품 생산에 AM 기술을 사용해 제작 시간을 크게 단축할 것으로 기대하고 있다. 기존 기술을 활용하면 SMR 압력 용기를 제작하는데 3년 정도가 걸리지만 AM 기술을 적용하면 6개월 내 이를 만들 수 있다.

오크리지 국립연구소 연구원들이 3D 프린터로 제작한 원전 부품의 시제품을 보고 있다./ORNL 제공

3D 프린팅은 레이저로 원료를 층층이 뿌려 설계 데이터대로 제품을 생산하는데, 플라스틱뿐 아니라 금속 등 다양한 재질을 사용할 수 있어 매우 정밀한 부품도 빠른 시간 내 만들 수 있다. 이런 장점 때문에 글로벌 원전 업체들도 3D 프린터를 활용하고 있다. 지멘스는 지난 2017년 3D 프린팅 기술로 냉각수를 공급하는 임펠러를 제작해 슬로베니아 원전에 설치했고, 미국 제너럴일렉트릭(GE)과 일본의 히타치제작소의 원전 합작사인 GE히타치원자력도 AM 기술을 활용해 원전 부품을 만들고 있다.

국내에서도 3D 프린팅 기술을 활용하려는 시도가 이어지고 있다. 한국원자력연구원은 원전 핵심 부품의 내열 소재(산화물 분산강화 합금)를 3D 프린터로 제조하는 기술을 개발했다. 아주 높은 온도에서도 강도를 유지하는 이 소재는 원자로 핵심 부품에 쓰이는데, 소재를 단단하게 굳힌 상태에서 부품을 만들어야 하기 때문에 형태를 정교하게 만드는 데 한계가 있었다. 그런데 레이저로 금속을 녹이면서 내부에 합금 내열층을 만드는 3D 프린터 방식을 활용하면서 비용과 시간을 크게 줄일 수 있게 됐다. 원자력연구원에 따르면 3D 프린팅 기술을 활용하면서 제조 속도는 기존 공정보다 20배 빨라졌다.

연선옥 기자 조선비즈 

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