[SMR 동향] 원자력연, 영하 145도 견디는 SMR 압력용기, 3D프린팅 개발 성공 ㅣ DL이앤씨도소형모듈원전(SMR) 사업 본격 투자 나서

 

 

첨단 3D 프린팅 기술로 SMR 용기 안전성 높인다

 

실제 압력용기용 소재보다

연성-취성 천이온도 70도 낮춰 안전성 향상

 

    국내 연구진이 금속 3D 프린팅 기술을 활용하여 SMR(소형 모듈형 원자로) 압력용기 소재의 안전성을 더욱 높일 전망이다.

 

한국원자력연구원(원장 주한규)은 재료안전기술개발부 강석훈 박사 연구진이 3D 프린팅에 활용할 수 있는 SMR 압력용기용 금속 분말 소재를 개발하고, 우수한 성능을 검증하는데 성공했다고 26일 밝혔다. 한국과학기술원(KAIST) 류호진 교수팀과 금속 분말 소재 전문 제조 기업인 하나에이엠티(주)(대표이사 김홍물)와 공동 협업한 결과다.

 

< 사진 1. 한국원자력연구원은 한국과학기술원(KAIST) 류호진 교수팀, 하나에이엠티(주)와 공동으로 3D 프린팅에 활용할 수 있는 원자로 압력용기용 분말 소재 개발에 성공했다. > (왼쪽부터) 원자력연구원 강석훈 박사, 한국과학기술원(KAIST) 류호진 교수, 하나에이엠티(주) 김홍물 대표

 

 

 

최근 원전 부품 산업에서 3D 프린팅 기술이 각광받고 있다. 원자로와 같이 복잡한 구조의 정밀한 부품을 이음새 없이 설계‧제조할 수 있어 안전성을 높일 수 있기 때문이다. 별도의 주조‧가공 처리가 필요 없는데다 재료의 손실이 거의 없다는 장점도 있다.

 

금속 3D 프린팅 분야에서는 3D 프린팅 장비 뿐 아니라, 필수 소재인 금속 분말과 프린팅을 최적화하는 공정 기술이 핵심 요소로 꼽힌다.

 

강석훈 박사 연구진은 SMR 압력용기 소재를 만들기 위해 3D 프린팅 전용 금속 분말 개발에 나섰다. 원자로 압력용기 소재는 비교적 높은 탄소 함량을 가지고 있어 3D 프린팅용 미세 분말로 만들기 어렵다. 분말의 유동성이 낮아 노즐을 통과하기 어렵고, 분말을 만드는 과정에서 쉽게 산화되기 때문이다.

 

< 사진 2. 실제 원자로 압력용기용 소재(Forging)(왼쪽)와 3D 프린팅으로 새롭게 개발한 소재(AM)(오른쪽)의 미세 조직 비교 >  - 오른쪽에서 더 작은 결정립과 충격 특성이 우수한 미세 베이나이트 조직 분포를 관찰할 수 있다.

이에 연구진은 가스분무공정 개선을 통해 원자로 압력용기 제작에 쓸 수 있도록 수십 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)의 둥글고 고른 형상의 3D 프린팅용 미세 분말을 제조했다. 가스분무공정은 열로 녹인 금속에 불순물 유입과 산화 등을 차단하기 위한 불활성 가스를 분사해 분말을 만드는 공정이다. 연구진은 기존 공정보다 개선된 방법을 사용했다. 특히, 소용돌이형 노즐을 이용하여 가스 분사 중 분말의 크기를 미세하게 제어해 유동성을 개선했다.

 

 

이후 3D 프린팅 방식(L-PBF, Laser Powder Bed Fusion)의 빔 에너지, 스캔 속도, 열의 양을 조절해 충격 흡수율이 우수한 소재를 만드는 최적의 공정 조건을 도출했다.

 

< 사진 3. 실제 원자로 압력용기용 소재(Forging)와 3D 프린팅으로 새롭게 개발한 소재(AM)의 충격 특성 비교 >  영하 100도 시험편에서 회색점(Forging)은 취성 파단, 적색점(AM)은 연성 파단이 관찰된다. 이는 동일 조건에서 3D 프린팅으로 새롭게 제조한 소재(AM)가 충격을 더 잘 흡수하고 있음을 나타낸다.

 

–196℃ 저온부터 80℃ 고온까지 실제 압력용기용 소재와 충격 흡수율을 비교 평가한 결과, 우수한 안전성을 확인했다. 실제 압력용기용 소재는 –75℃ 부근에서 쪼개졌지만 새롭게 제조한 3D 프린팅 소재는 –145℃ 부근이 돼서야 쪼개졌다. 금속이 깨지기 쉬운 극한의 저온 환경에서도 충격을 잘 흡수한 것이다. 이를 연성-취성 천이온도*가 낮아졌다고 한다. 연성-취성 천이온도가 낮을수록 금속의 안전성은 높아진다.

* 연성-취성 천이온도 : 쉽게 늘어나는 상태(연성)를 지닌 금속이 깨지기 쉬운 상태(취성)로 급격히 변하는 온도\

 

원전 가동 시 원자로 압력용기는 내부 핵분열에 의해 중성자에 노출되며, 점점 깨지기 쉬운 상태로 변한다. 따라서 중성자 노출에 오래 견딜 수 있는 튼튼한 압력용기가 필요하다. 천이온도가 70℃가량 낮아짐에 따라, 현 상용 원자로 설계 수명을 40년으로 가정할 때, 80년 이상의 초장주기 중성자 조사에도 충분히 버틸 수 있을 것으로 기대된다.

 

연구진은 앞으로 3D 프린팅 기반 제조 기술 표준화와 규제기관의 인허가 획득에 힘쓸 계획이다.

 

한국원자력연구원 주한규 원장은“원자력연구원은 SMR 설계 뿐 아니라 다양한 부문에서 선진 연구를 수행하고 있다. 이번에 개발한 3D 프린팅용 분말 소재는 향후 SMR을 비롯하여 높은 안전성이 요구되는 각종 원자로 부품 제작에도 널리 활용될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

 

 

 

DL이앤씨도

소형모듈원전(SMR) 사업 본격 투자 나서

 

    DL이앤씨가 탈탄소 에너지원으로 주목받고 있는 소형모듈원전(SMR: Small Modular Reactor) 사업 진출에 본격적인 속도를 내고 있다. DL이앤씨는 미국 SMR 개발사인 엑스에너지(X-Energy)에 대한 전략적 투자를 결정했다고 18일 밝혔다.

 

DL이앤씨는 2천만 달러(약 250억원)를 투자해 엑스에너지가 발행하는 전환사채를 인수한다. 이번 전략적 투자에는 국내 원자력 주기기 업체인 두산에너빌리티도 참여한다.

 

Xe-100 발전소 조감도

 

 

엑스에너지, 4세대 SMR 분야 선두 주자…2029년 상용화 목표

엑스에너지는 물이 아닌 새로운 냉각재를 적용하는 비경수로형 4세대 SMR 분야의 선두주자로 인정받고 있다. 특히 고온가스로(HTGR) 분야에서 가장 앞서가는 개발사로 손꼽힌다. 엑스에너지가 개발 중인 대표 모델인 ‘Xe-100’은 단일 용량 80MWe 4개 모듈로 구성되어 총 발전용량 320MWe 규모다. 고온의 헬륨 가스를 냉각재로 사용하는 것이 특징이다. 3중 코팅으로 1,800℃에서도 녹지 않는 안정성이 강화된 테니스공 크기의 핵연료를 사용한다. 또한 운전 중 생산되는 약 600℃의 높은 열은 산업용 플랜트의 열원으로 사용되는 등 전력 공급 외에도 다양한 수요처를 확보할 수 있는 장점이 있다.

 

엑스에너지는 SMR 기술의 안정성과 경제성을 인정받아 미국 정부의 대규모 자금 지원(12억 달러)과 함께 지속적인 민간 투자 유치에 성공했다. 2029년 상용화를 목표로 상품 개발을 진행 중이다. 올해 4월 미국 증시에 상장을 준비 중이며, 상장 후 기업가치는 20억 달러(약 2.5조원)를 상회하는 것으로 평가받고 있다.

 

DL이앤씨, 플랜트 사업과의 시너지 통한 친환경 신사업 개발 추진

DL이앤씨는 향후 엑스에너지와 SMR 플랜트 사업 개발을 협력하고 에너지 사업 분야에서 기회와 경쟁력을 더욱 확장할 계획이다. 엑스에너지의 SMR 기술은 전력 생산뿐만 아니라 다양한 산업에 활용성이 높아 DL이앤씨의 플랜트 사업과 연계해 글로벌 시장에 진출한다는 전략이다.

 

 

특히 DL이앤씨는 SMR 사업을 통한 친환경 신사업 포트폴리오 확장을 추진한다. SMR 가동 시 발생하는 600℃ 이상의 높은 열을 또 다른 친환경 에너지원인 수소 및 암모니아 생산에 활용할 수 있기 때문이다. DL이앤씨는 국내외에서 개질 및 부생수소 생산 플랜트를 설계부터 시공까지 수행한 경험을 보유하고있다. 특히, 천연가스를 통해 암모니아를 생산하는 세계 최대 규모의 사우디아라비아 마덴 암모니아 플랜트 프로젝트를 성공적으로 수행했다. 현재는 남호주 주정부, 울진군 등과 수소 생산 및 인프라 구축 사업 협업을 진행 중이다. DL이앤씨는 SMR 사업과 접목한 수소 밸류 체인을 구축해 친환경 신사업 포트폴리오를 확장한다는 계획이다.

 

DL이앤씨 유재호 플랜트사업본부장은 “엑스에너지의 SMR 기술은 다양한 산업에 활용할 수 있어 DL이앤씨의 플랜트 사업과의 시너지 효과가 기대된다”고 전하며 “우리가 가진 BIM 및 모듈러 플랜트 설계 기술과 SMR 사업을 접목해 수소 및 암모니아 등 친환경 에너지원 개발을 적극 추진할 것”이라고 밝혔다.

 

엑스에너지 CEO 클레이 셀은 “발전 플랜트 분야에서 세계적인 기술력과 전문성을 보유한 DL이앤씨와 협력을 통해 엑스에너지의 SMR 기술을 글로벌 시장에 선보일 것”이라고 밝혔다.

DL이앤씨 홍보실

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