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3D프린팅 원전 부품, 현장 적용 ‘첫 관문’ 넘었다
[에너지신문] 3D프린팅으로 제작한 원전 부품이 실제 발전소에서 한 차례 운전주기를 마치며 현장 적용 가능성을 입증했다. 실험실 단위의 성능 검증을 넘어 상업 운전 환경에서 18개월간 사용됐다는 점에서 원전 부품 공급망에 적층제조 기술을 확대하는 계기가 될지 주목된다.
한국수력원자력에 따르면 3D프린팅으로 제작한 ‘다익형 임펠러’가 지난해 1월 새울원전 1호기에 설치된 뒤 올해 7월 계획예방정비에 들어갈 때까지 18개월간 결함 없이 운전됐다.
임펠러는 발전기차단기를 냉각하는 데 사용되는 부품이다. 기존 제품은 고정판에 여러 개의 날개를 조립하는 구조여서 고정판과 날개 사이의 연결부가 장기간 운전 과정에서 손상될 가능성이 있었다.
▲한수원이 국내 최초로 3D 프린팅으로 제작한 원전 부품(은색 부분)으로 18개월 운전에 성공했다.
한수원은 이를 3D프린팅 방식의 일체형 구조로 바꿨다. 여러 부품을 연결하는 조립 공정을 없애 구조적으로 취약할 수 있는 접합부를 제거하고 내구성을 높이는 데 개발의 초점을 맞췄다.
한수원에 따르면 2024년 임펠러 개발을 마친 뒤 재료 특성을 높이기 위한 열처리와 기계적 성질 시험, 풍량 시험 등을 진행했다. 이후 지난해 1월 새울 1호기에 설치해 실제 운전 환경에서 성능과 내구성을 확인했다.
이번 운전 결과의 의미는 3D프린팅 부품이 원전 현장에 설치됐다는 사실보다 한 차례 운전주기를 거치면서 운전 이력을 확보했다는 데 있다. 원전 부품은 제작 가능성만으로 현장에 적용하기 어렵고, 사용 재료와 제조 공정, 기계적 성능 등에 대한 검증이 뒷받침돼야 하기 때문이다.
특히 적층제조는 금속 소재를 층층이 쌓아 부품을 만드는 방식이어서 절삭이나 주조와 같은 기존 제조기술로 구현하기 어려운 일체형·복합 구조를 제작할 수 있다. 부품 수와 조립 공정을 줄이고 특정 취약부를 설계 단계에서 제거할 수 있다는 점도 장점이다.
이번 임펠러 역시 기존 부품을 같은 형태로 복제한 것이 아니라 3D프린팅의 특성을 활용해 구조 자체를 일체형으로 바꾼 사례에 해당한다.
한수원은 이번 운전 결과를 바탕으로 다른 원전에도 3D프린팅 부품 적용을 확대할 방침이다. 기존 부품의 성능 개선뿐 아니라 복잡한 형상의 부품이나 소량 생산이 필요한 부품 분야에서 활용 가능성을 검토할 것으로 보인다.
다만 임펠러 한 종류가 18개월 운전에 성공했다고 해서 곧바로 모든 원전 부품에 3D프린팅 기술을 적용할 수 있는 것은 아니다. 부품마다 기능과 운전 환경, 요구되는 품질 수준이 다른 만큼 소재와 제작 공정, 검사·시험 기준을 각각 확보해야 한다.
동일한 품질의 제품을 반복적으로 생산할 수 있는 공정관리와 장기 운전 데이터를 축적하는 것도 적용 범위를 넓히기 위한 과제다. 향후 다른 원전으로 적용을 확대하는 과정이 3D프린팅 부품의 경제성과 신뢰성을 가늠하는 시험대가 될 전망이다.
한수원은 장기적으로 기존 원전의 대체 부품을 넘어 소형모듈원자로(SMR) 등 신형 원전의 신규 부품 제작에도 적층제조 기술을 활용한다는 구상이다. 이돈국 한수원 중앙연구원장은 “3D프린팅 기술이 기존 부품의 대체에 그치지 않고 SMR과 같은 신형 원전의 신규 부품 제작에도 활용될 수 있도록 연구개발을 이어갈 계획”이라고 밝혔다.