10대 원자력 미래 유망기술은?

원자력학회, 원자력 미래유망기술 선정 연구 설명회 가져

대민민국 원자력의 미래를 책임질 유망기술은 무엇일까? 한국원자력학회는 지난달 30일 한수원 중앙연구원 강당에서 ‘원자력 미래 유망기술 선정에 관한 연구 설명회’를 갖고, 연구를 통해 선정된 10대 원자력 미래 유망기술을 소개했다.

‘원자력 미래 유망기술 선정에 관한 연구(과제책임자 서울대 박군철 교수, 2월 16일~6월 30일)'는 국내 연구개발 현황을 파악하고 산학연 원자력 전문가들의 의견을 수렴해 향후 우리나라 원자력산업의 지속적 발전을 위해 10년 내 반드시 확보할 필요가 있는 원자력 10대 유망기술(Critical Technology)을 선정해 집중적인 기술확보 전략 수립에 기어코자 진행됐다.

원자력 미래 유망기술 선정과정은 우선 자문위원 회의를 통해 9대 분야를 선정한 후 전문가의견을 통해 다시 5대 분야를 선택하고, 키워드(Key Word0 조사를 통해 분야별 유망기술을 도출했다. 이어 우선순위 분석을 위한 원자력학회 등록 전회원 대상(약 3,000명) 1차 설문조사에서 30대 핵심 유망기술을, 2차 설문조사에서 10대 핵심 유망기술을 선정한 후 최종적으로 10대 핵심 유망기술을 도출했다.

이런 과정을 통해 도출된 원자력 미래 유망기술은 ▲원전해체 제염기술 ▲초소형원자로 설계기술 ▲중대사고 피동형 대응설비 개발 기술 ▲고장 및 사고 예방 조기 탐지 기술 ▲방사성폐기물 부피감용 기술 ▲중대사고 환경에서 필수기기의 가용성 확보 기술 ▲장수명 주요 원전기기 재료 수명예측 및 열화 방지 기술 ▲핵연료 손상 실시간 탐지 기술 ▲고온계측 및 센서 개발요소 기술 ▲로봇활용 원격절단 기술 등 10가지다.

원전해체 제염기술은 지역·시설 혹은 장비의 표면으로부터 오염을 제거하고, 계통·기기 및 구조물의 표면에 오염된 방사성물질을 기계적·화학적 방법으로 제거하는 기술이며, 작업자의 방사선 피폭 저감, 방사성폐기물 발생량 저감을 목적으로 한다.

국내에서는 한수원이 CO2 펠렛 제염, 고압수 분사, 초음파 세정, 스팀 분사, 전해 제염 등 다양한 기술을 수행한 경험이 있으며, 한전KPS가 희석식 화학제염, 공정수 정화처리 등 40회 이상 현장에 적용한 바 있다. 또 두산중공업에서 대형 증기발생기 처리를 위한 절단 및 절연관 표면 제염기술을 개발 중이며, 원자력연구원에서 연구로 1·2호기 폐로, 우라늄 변환시설 해체 과정에서 제염기술 개발을 수행한 바 있다.

외국의 경우 미국이 건식제염기술, 레이저·플라즈마 이용 제염공정을 개발 중에 있으며, 독일은 Greisfald 원전의 금속폐기물 처리공정을 개발(1995년)한 바 있다. 또 일본은 JPDR 해체 시 NP/NS-1 제염기술을 개발(1996년)한 바 있다.

국내에서 다양한 제염기술이 개발된 상태지만 실용화 단계를 거친 선진국과 다소 격차가 있는 것이 사실이다. 기술개발을 위해서는 절단, 원격 제어 등 연관 기술과의 융합, 기존 기술을 보완하는 신기술 확보, 안전성 평가기술 및 검증기술의 확보 등이 필요하다.

초소형원자로 설계기술은 초소형 원자로, 원자로소형화 필요 기기 및 계통 기술을 의미하는 것으로 소규모 전력 및 열 공급, 소형화 기기 및 계통 기술 등 새로운 시장 창출 가능, 장거리 연료수송 문제 대안, 높은 안전성을 사고 시 대처 용이 등의 이유로 기술개발의 필요성이 강조되고 있다.

국내의 경우 원자력연구원이 SMART 일체형 경수로를 개발·운영하고 있으며, 해외의 경우 미국과 캐나다가 NWS 원자로 공동연구(1984~87년)를 통해 우주용 원자로 개념을 도입했으며, 캐나다는 Nucear Battery 연구(1984~87년)를 수행한 바 있다. 또 러시아는 군사용과 오지 전기 공급용 소형원자로를 개발하다 중단됐다.

초소형원자로는 소형화에 따른 적은 예산(100M달러)으로 개발 및 제조(20~30M달러)가 가능하며, 기술 개발 및 인허가 완료에 10년, 제작·실증·건설에 5년이 예상된다. 기존 국내 축적된 원자로기술을 활용하고, 필요 부분 기술은 국외 협력을 이용할 필요가 있다.

중대사고 피동형 대응설비 개발 기술은 원자로 내부 잔류 노심용융물로부터 원자로 보호, 원자로 용기 파손 시 노심용융물로부터 격납건물 보호를 위한 기술로 외부 전원이나 운전원 조치에 의존하지 않고, 장기간 냉각 및 안정화할 수 있는 대처 설비를 의미한다. 능동형 안전설비와 비교해 낮은 고장성과 높은 발전소 동작 신뢰성, 후쿠시마원전 사고 이후 안전계통과 마찬가지로 피동화 요구 증대 등의 이유로 개발의 필요성이 요구되고 있다.

국내의 경우 26개 Passive Auto-catalytic Recombiner(PARs)와 10개 igniter로 구성돼 수고 농도 조절이 가능한 ‘HMS’(Hydrogen Mitigation System)와 Containment building 압력 상승 시 scrubber를 통한 fission product 필터링으로 99% 방사능 물질 감소 후 방출이 가능한 CFVS(Containment Filtered Ventilation System) 기술을 개발 중이다.

외국의 경우 프랑스는 EPR-Core catcher(원자로 하부 철제 용기 노심용융물 수용 후 core catcher로 이동 후 냉각, 열감지 스프링밸브) 기술을, 미국·일본은 ESBWR 중대사고 대처설비(원자로 하부 원형 철제 용기, 열감지 가스 추진형 밸브)를, 러시아는 WER-1000 노심용융물 설비(원자로 하부 냉각설비가 있는 도가니 형태 용기)를 개발 중이다.

이 기술의 개발에서는 피동격납 냉각계통의 개발이 선행돼야 하고 노심용융물의 재임계 방지를 위한 Core catcher 용기 설계가 필요하다, 또 운전원 조치 없이 안정적 운전이 가능한 설계가 필요하며, 노심용융물과 냉각수의 직접적인 접촉 차단과 증기폭발 가능성을 배제하는 것이 중요하다.

고장 및 사고 예방 조기 탐지 기술은 발전소 상태 파악 시 사각지대 발생 방지, 운전과 정비 작업 시 인적 오류 저감 정보 제공, 발전소 불시정지 횟수 저감 또는 노심손상 가능성 저하 등을 위한 기술로 기술개발을 통해 원자력 시스템의 디지털 기술 정착과 타 분야 IT기술 접목이 예상되며, 디지털 기술 도입으로 대용량 정보 획득이 가능할 것으로 전망된다.

국내의 경우 기술에 대한 인지도가 낮고 타 분야 전문가와의 연계연구가 부족하며, 상용화를 위한 데이터 활용 연구가 필수적이지만 데이터 활용의 어려움이 있는 상태이다. 외국의 경우에는 전반적인 기술 저변은 비슷하지만 연구로 또는 상용로 등 원자력 시스템에 적용한 결과가 있는 등 상용화를 위한 산업구조가 작동 중이다. 또 개발된 기술을 원자력에 국한하지 않고 일반 산업분야로 넓혀 시장성을 확보하려는 경향을 보이고 있다.

이 기술의 개발을 위해서는 전문가 그룹을 활용한 연계 연구가 필수적이며, 계측제어 역할 중요성에 대한 인식 개선과 광범위한 협업, 상용화를 위해서는 사업자의 선제적 데이터 공유를 통한 연구자와의 협업이 필요하다. 또 타 분야로의 기술 확산을 위한 연구개발, 규제기관의 인허가에 대한 적극적인 자세와 인허가 관점에서의 구체적인 기술적 난제 해결을 위한 연구개발이 필요하다.

방사성폐기물 부피감용 기술은 방페물 부피 감소를 통한 처분장 공간의 효율적 사용, 고체폐기물 부피감용 등을 위한 기술로 고리 1호기 폐로 확정으로 가까운 장래에 국내 원전해체 수행, 해체 과정 및 원자로 가동 시 발생하는 대량의 방폐물 처분공간의 부족 등의 이유로 기술개발의 필요성이 요구되고 있다.

국내에서는 금속폐기물 표면 오염 제거 기술 개발을 위한 연구를 수행 중이며, 콘크리트폐기물 가열·분쇄 기술과 유리화 기술은 실증 과정에 있다. 외국의 경우 네덜란드(KEMA)는 (방사성 콘크리트 해체 폐기물 감용 및 재활용 처리), 일본(NUPEC)은 원자력시설 콘크리크 채체폐기물 저감 및 재활용, 벨기에(SCK·CEN)는 미량 오염된 방사성 콘크리트의 골재로서의 재활용 가능성 평가, 미국(NOE)는 원자력시설 콘크리트 폐기물의 재활용방안 평가, 스페인(EL Cabril)은 원자력시설 콘크리트 폐기물의 재활용 경제성 평가를 위한 기술을 보유하고 있다.

이 기술은 개발의 어려움보다 개발을 위한 적극적인 투자 미흡으로 국산화에 어려움을 겪고 있으며, 기술수요의 폭발적 증가가 예상돼 기술 경쟁력 확보를 위해 개발이 필수적으로 요구되고 있다. 이에 따라 국가적 지원과 기관별 협동연구가 필요한 상황이다.

중대사고 환경에서 필수기기의 가용성 확보 기술은 중대사고 방지 및 완화를 위해 극한상황 시 필수적인 계측기 및 기기의 가용성 평가와 동작성 확보를 위한 기술로, 후쿠시마원전 사고 이후 필수 계측기 생존 지속성 및 가용성 문제 제기, 극한환경 하에서 계기 및 기기 성능 보장, 중대사고 시 극한환경에 대한 올바른 평가 필요 등의 이유로 개발의 필요성의 요구되고 있다.

국내에서는 중대사고 환경 하에서 지존 사고감시 계측기 생존성 평가 연구가 진행 중이며, 기술에 대한 방법론은 존재해 중대사고 환경 하에서의 해석 진행은 가능하다. 하지만 중대사고 환경 하에서 기기 작동성 실험시설은 전무한 상태이며, 생존 가능 필수 계측기 개발 및 고장·탐지 진단 기술과 사고 극복 위한 필수 기기 가용성 증진 기술 개발은 진행되지 않고 있는 상황이다.

해외의 경우 일본은 사고감시기술 개발의 필요성이 제기되고 있으며, 유럽은 데이터 수집 및 처리장치, 무선통신, 이동형 원격 안전감시평가설비를 구축하고 있다. 또 미국은 극한환경 하에서 임베디드 I&C 연구, DBA 대비 운전원 지원시스템 자동화 연구, 첨단 인간-기계 연계 연구를 수행 중에 있다.

이 기술 개발을 위해서는 중대사고 현상에 대한 이해 증진, 구체적인 규제 요건의 정립, 계통·기기에 대한 설계·제작 기술 개발이 필요하다. 또 1단계(5년)로 필수 기기 및 계측기 고장 탐지 및 진단기술을 개발하고, 2단계(5년)로 작동불가 상황을 극복할 수 있는 필수 기기 및 다양성 확보 기술, 신규 계측 방법론, 필수 기기 및 계측기 극한환경 극복 기술 등의 개발 등 단계별 기술개발이 필요하다.

장수명 주요 원전기기 재료 수명예측 및 열화 방지 기술은 재료 열화 매커니즘과 DB 지식에 근거해 열화 기구별 운전조건에 따른 수명예측, 사전 열화를 방지 또는 완화해 재료 건전성을 향상하는 기술로 원전 신뢰성 제고, 재료의 수명연장으로 인한 경제적 이득, 국민 원전 수용성 증대 등의 이유로 개발의 필요성이 요구되고 있다.

국내에서는 In-siru Raman Spectroscopy를 통한 응력부식 균열 메커니즘을 규명하고 있으며, 발전소 배관균열 감시시스템을 통해 전압 변동에 따른 균열부위를 실시간 감시하고 있다. 또 2차측 배관감육 모니터링 및 매커니즘을 규명하고 있다. 해외의 경우 OECD/NEA(원자력기구)는 케이블 손상 원인 데이터 베이스 구축하고, 배관 손상 사고 데이터 수집 및 해석을 하고 있다. 또 DOE(미국 에너지부)는 원자로 계속운전을 위한 원자로의 장기간 신뢰성 향상을 위한 기술을 개발하고 있다.

이 기술의 개발을 위해서는 인력양성에 대한 투자와 정부 주도의 중장기적인 투자가 필요하며, 기술 현안의 시급성과 중요성에 따라 단기 목표를 설정해 집중 해결하는 이원적 추진이 필요하다.

핵연료 손상 실시간 탐지 기술은 원자로 운전 중 실시간으로 핵연료봉의 건전성 여부를 감시·판단하는 기술로, 재료의 특성 변화 추이 감시로 연료봉 파손 방지가 가능하고, 연료봉 파손 시 파손 정도의 실시간 파악으로 신속한 조치가 가능하다. 또 손상된 핵연료의 정확한 파악으로 핵연료 추가 검사가 불필요하다.

국내에서는 GFP(Gaseous Fission Product monitoring) System을 통한 감마방출 핵종을 측정하고, DN(Delayed Neutron monitoring) SYstem을 통해 지발중성자를 측정하고 있다. 또 핵연료 제조 또는 교체 시 비파괴검사(초음파검사, 와전류검사, 방사선투과검사)를 수행하고 있다.

해외의 경우 Westinghouse는 Thermo-acoustic monitoring technology(Heat fluctuation 계측을 통한 감시)를, INL은 Sound monitoring(Heat fluctuation 계측을 통한 감시)을, GE는 3Dmonicore(중성자 계측 데이터를 통한 감시)를, Mitsubishi는 VISION(중성자 계측 데이터를 통한 감시)을, NEL은 On-line monitoring system(중성자 계측 데이터를 통한 감시)을 사용하고 있다.

이 기술의 개발을 위해서는 원자로 환경 하에서 핵연료 피복관 손상 메커니즘 규명, 재료실험 데이터베이스 확보 및 안전계통과의 연계 분석, 신형 원자로 재료에 대한 감시 방법 등 협동 연구가 필요하다. 또 핵연료 조사특성 계측 기술 , 계측 신호선 취급 및 신호 처리기술, 중간검사용 핵연료봉 취급 및 장·탈착 기술 등 세분화된 기술 개발이 필요하다.

고온계측 및 센서 개발요소 기술은 고온 환경에서 물리적인 값을 측정하는 기술로 차세대 원자로의 고온·고압·고방사능 환경에 대한 연구 필요, 중대사고 시 실시간 계측 가능 센서 개발 요구, 원자로 기기 및 재료의 건전성 확인 필요 등의 이유로 개발의 필요성이 요구되고 있다.

이 기술의 개발을 위해서는 장기적인 관점에서의 재료 개발과 소형화를 통한 교정 향상이 필요하다. 또 구체적인 계측 목적과 범위 설정, 타 분야와의 협업을 통한 연구 수행 등 연구 대상의 구체화 및 연구 분야의 세분화가 필요하다.

로봇활용 원격절단 기술은 다자유도 매니퓰레이터를 갠트리, 크레인, 모바일 플랫폼에 장착해 원격절단에 투입하는 기술로 후쿠시마원전 사고 이후 극한 상황에서 큰 유용성원전해체 수요 증가로 인한 시장성장의 기대, 원전해체 시 방폐물 부피감용의 용이성 등의 이유로 개발의 필요성이 요구되고 있다.

국내에서는 실감형 원격절단 시뮬레이터 개발을 완료했으며, 고자유도 원격절단 통합평가 기술(2016년), 기계적 절단 기술(2018년), 원격 해체 장비 내방사화 기술(2019년), 고하중 취급 원격정밀 제어기술(2021년), 열적 절단 기술(2021년) 등의 개발을 추진하고 있다. 해외의 경우 프랑스(CEA)와 미국(ANL)은 유압을 이용한 매니퓰레이터를, 일본은 전기모터를 이용한 매니퓰레이터를 개발했으며, 수중절단 기술을 개발 중에 있다.

이 기술의 개발을 위해서는 요소기술 개발과 실증센터 건설을 동시에 수행해야 하고, 실증센터 건설을 위한 산학연의 협력이 필요하다. 또 시범사업을 위한 인허가 절차의 효율적인 수행이 중요하다.