오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)에서는 차세대 원자로 설계 개발 연구원들이 3D 프린팅을 포함한 첨단 제조 방식을 연구하고 있다고 합니다. 3D프린팅으로 제조한 원자력 부품에 대한 연구원의 얘기와 요즘 한창 관심을 갖는 AI 데이터 센터로 인한 전력 수요 충족을 위해 소형 모듈형 원자로 제작에 3D프린팅 방식이 도움이 될 수 있다는 의견에 관심이 생겨서 일부 내용을 정리하여 소개해드립니다. 질문과 답변형태로 구성된 오크리지 국립연구소 웹사이트 전문 기사중에 3D프린팅에 대한 내용만 아래에 발췌했습니다. 좀 더 관심있는 분들은 전문 기사를 통해서 확인하시기 바랍니다.

<오크리지 국립연구소 로고>

질문 : 3D 프린팅 소재의 품질 인증은 기존 제조 소재와 비교했을 때 어떤 점에서 차별화되나요?
답변 : 원자력 발전소용 3D 프린팅 소재는 복잡한 원자력 부품 제작 기간을 단축할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 펌프 하우징, 밸브, 소형 열교환기 및 기타 부품은 일반적으로 제작 기간이 몇 년씩 걸리지만, 적층 제조 방식을 이용하면 몇 달 또는 몇 주 안에 생산할 수 있습니다. 하지만 이러한 소재의 품질을 검증하는 과정은 훨씬 더 복잡합니다. 기존 방식으로 제조된 재료는 특정 공정을 통해 만들어진 경우 재료 전체에 걸쳐 동일한 물성을 가질 것이라는 가정 하에 품질이 검증되는 경우가 많습니다. 즉, 거대한 재료 덩어리에서 추출한 샘플 시료의 데이터가 재료 전체를 대표한다는 의미입니다. 고려해야 할 변수가 적기 때문에 이러한 가정은 테스트를 크게 단순화합니다. 한편, 3D 프린팅 소재는 주변 부품의 형상과 온도 조건에 따라 응고 경로가 달라지기 때문에 하나의 부품 내에서도 성능 편차가 발생할 수 있습니다. 따라서 우리는 더 큰 부품 내에서 예상되는 물성 편차의 정도를 조사하는 실험을 설계합니다. 이는 마치 레고 블록으로 이루어진 대형 조립체의 각 블록을 테스트하여 성능을 확인하는 것과 같습니다. 3D 프린팅의 가장 큰 장점은 기존 제조 방식과 달리 독특한 부품 디자인과 형상을 구현할 수 있다는 점입니다. 하지만 독특한 형상의 경우 시험편을 제작하기가 더 어려울 수 있습니다. 이러한 복잡한 형상을 검증하기 위해서는 기존 규격 및 표준에 새로운 방법을 통합하여 비파괴 검사 방법을 개발하거나, 비표준 시험편을 사용하여 데이터를 수집하는 방안을 마련해야 합니다. 

질문 : 3D 프린팅 소재와 이러한 소재의 신속한 검증이 원자력 혁신의 속도에 어떤 영향을 미칠 수 있을까요?
답변 : 3D 프린팅 핵물질은 원자력 산업의 핵심 공급망 문제를 해결하는 동시에 미국 내 인공지능 혁명을 가능하게 할 잠재력을 지니고 있습니다. 3D 프린팅 기술을 활용하면 각 원자로 유형에 필요한 기하학적으로 복잡한 부품 생산을 간소화하여 건설 기간을 대폭 단축할 수 있습니다. 특히 소형 모듈형 원자로 및 마이크로 원자로 설계를 AI 데이터 센터 전용 전력원으로 고려할 때, 제조 속도를 높이는 것은 매우 유리할 것입니다. 이러한 소형 원자로 설계는 더욱 복잡한 기하학적 구조를 가지고 있어 조립, 유지보수, 용접 및 수리에 더 많은 어려움이 따릅니다. 검증된 3D 프린팅 방법과 재료의 견고한 공급망은 이러한 어려움을 완화하고 증가하는 AI 전력 수요를 충족하는 원자력 솔루션을 구현하는 데 도움이 될 것입니다.   

<3DGURU Opinion>

저는 이 글을 보면서 3D프린팅 기술이 우주 항공 분야에서 우주선을 제작하는데 사용되는 이유와 원자력 부품 제작에 사용되는 이유가 동일하다는 생각을 하게 되었습니다. 복잡한 구조의 부품을 빠른 시간내에 소량 생산해야 하는 요구 조건에는 3D프린팅 기술이 적합하다는 것입니다. 3D프린팅 기술로 완제품을 제작하는 비즈니스를 하려는 분들이 있다면 짚어봐야 할 사항입니다. 

참고 : 오크리지 국립연구소(ORNL) 웹사이트

 

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