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3D프린트로 출력한 핵 원자로(nuclear reactor)
2020-06-23 13:25:48

 

 

<이미지 : Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy>

 

미국 에너지부의 오크 리지 국립 연구소 (ORNL, Oak Ridge National Laboratory)의 연구원들은 3D 프린트한 핵 원자로 코어의 설계를 개선하고, 이를 구축하는데 필요한 적층 제조 공정을 확장하고, 3D프린트된 구성 요소의 일관성과 신뢰성을 확인할 수 있는 방법을 개발하고 있습니다. ORNL은 2023 년까지 최초로 3D프린트된 핵 원자로를 가동하는 것을 목표로 하고 있습니다.

 

아래 동영상은 TCR 기술 책임자인 Kurt Terrani씨의 설명입니다.

 

ORNL 국장 Thomas Zacharia는 “원자력 산업은 여전히 ​​우리가 원자력 기술을 설계, 구축 및 배치하는 방식을 생각하는데 제약을 받고 있습니다. DOE는 신뢰성 있고 깨끗한 에너지를 제공하는 혁신적인 에너지 솔루션을 빠르고 경제적으로 개발하기 위한 새로운 시도를 찾기 위해 이 프로그램을 시작했습니다.” 라고 말하였습니다.

 

원자로 개발 및 배치는 1950~60 년대에 개발한 재료, 연료 및 기술에 의존해 왔으며, 높은 비용과 십수 년이 걸리는 건설 기간으로 인해 미국은 지난 20 년 동안 단 하나의 새로운 원자력 발전소만 건설 할 수 있었습니다. 

 

TCR(Transformational Challenge Reactor)은 새로운 첨단 재료를 도입하고 통합된 센서 및 제어를 사용하여 원자로 설계, 제조, 라이센스 및 운영의 새로운 경로를 만들수 있는  과학의 발전으로 비용을 절감하는 고도로 최적화되고 효율적인 시스템을 제공합니다.

 

<ORNL 과학자들은 3 개월 동안 출력용 설계를 최적화하여 원자로 코어 시제품을 빠르게 생산할 수있는 능력을 보여주었음. 이미지 : Brittany Cramer / Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy>

 

TCR 기술 책임자인 Kurt Terrani는 “우리는 지난 몇 달 동안 이 프로그램을 실현할 수있는 능력을 적극적으로 개발해 왔으며 이 기술이 3D 프린팅 원자로 코어를 시연 할 준비가되었음을 입증했습니다. 적층제조(3D프린팅) 공정 기술의 상당한 발전으로 인해 전체 TCR 개념이 가능해졌습니다. 3D 프린팅을 사용함으로써 우리는 지난 수십 년 동안 핵 공동체가 이용할 수 없었던 기술과 재료를 사용할 수 있게 되었습니다. 여기에는 거의 자율적인 제어를 위한 센서와 데이터 라이브러리, 그리고 전체 핵 공동체에 혜택을 줄 자격에 대한 새롭고 가속화된 접근 방식이 포함됩니다.” 라고 말하였습니다.

 

 

 

 

3D 프린팅 원자로 배치의 일환으로 이 프로그램은 또한 적층 제조를 이용하는 원자력 에너지 기술을 업계에서 빠르게 도입하는데 도움이 되는 디지털 플랫폼을 만들 것입니다.

 

아래동영상에서 육각형 구조를 출력하는데 40시간정도 소요되었고, melting pool 주변의 온도는 섭씨 1,400도 이상입니다.

 

<3DGURU Opinion>

 

ORNL은 몇년전에 3D프린터를 사용하여 카본소재로 잠수함 선체를 한달동안 출력하기도 하고, 커다란 굴착기 부품을 만드는 프로젝트를 진행하기도 했었습니다. 이번엔 핵원자로 네요.

핵원자로(nuclear reactor)는 핵분열 시 발생하는 열을 전력 생산에 이용하거나, 중성자와 방사선 같은 물질의 기본 입자들을 얻어 과학적인 연구와 기술개발에 활용하기 위하여 만든 장치로, 핵분열을 지속적으로 유지하고 제어할 수 있습니다. 

러시아의 체르노빌 원자력 발전소 사고와 최근의 일본 후쿠시마 핵발전소 사고에서 우리는 핵발전소가 사고가 나면 얼마나 큰 피해를 입고, 끔찍한 자연 파괴가 일어나는지 보았습니다. 

핵발전소내의 장비들중에서 원자로는 핵심부품중의 하나입니다. 이러한 핵심부품을 3D프린터로 출력하여 사용한다는 것은 3D프린팅(적층제조)방식이 그만큼 신뢰할 만하다는 것을 보여주는 사례가 될것입니다. 

ORNL에서 3D프린트한 핵원자로는 DED(Direct Energy Deposition) 방식의 3D프린터로 출력을 하였고, 소재는 Stainless Steel을 사용하였습니다. 

 

ORNL 연구원들은 이제 최적의 신뢰할 수있는 에너지 시스템을 보장할 설계와 프로세스를 개선하는 데 집중하고, 모니터링 기술은 제조 공정을 지속적으로 평가하여 출력 데이터의 실시간 검증 및 인공 지능을 통한 성능 분석을 가능하게하는 실시간 데이터 스트림을 제공할 것이라고 합니다. 

 

참고로, 본문에 보면 원자력 발전소 1기 건설하는데 걸리는 시간이 십수년 정도 걸린다고 나와서 관련 자료를 찾아보니, 나라마다 공사 기간은 다릅니다만, 전세계 원전 건설에 소요된 평균 공사 기간은 190개월(15년 10개월) 입니다. 

원전의 평균 공기가 가장 짧은 나라는 일본으로 평균 46개월 만에 원전 1기를 건설하고, 한국의 평균 건설 기간은 56개월로 일본에 이어 두 번째이고, 그 다음으로는 평균 공기 68개월인 중국(28기)이 3위를 차지했다고 합니다. 미국은 세계에서 가장 많은 원전 100기를 보유하고 있는데, 의외로 미국에서는 원전 1기를 짓는데 272개월이 걸린다고 합니다. 

 

참고) ORNL 기사

 

이상입니다. -3D그루-

 

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