美ORNL, “3D 프린팅 기술로 첨단 원자로 개발 프로젝트 가동”

ⓒ 데일리포스트 이미지 출처=미국 오크리지 국립연구소(ORNL) 제공/이하 동일
ⓒ 데일리포스트 이미지 출처=미국 오크리지 국립연구소(ORNL) 제공/이하 동일

[데일리포스트=최율리아나 기자] 3D프린팅 기술은 다양하면서도 비약적으로 발전하고 있다. 3D 프린터의 진화로 인해, 무기·인간장기·다양한 그림·건축물까지 3D 프린터로 제작할 수 있게 됐다. 

미국 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL) 연구원들은 3D 프린터 기술을 통해 원자로 코어 설계를 구체화하고 이를 제조하는데 필요한 공정을 확장하며, 인쇄된 구성 요소의 일관성과 신뢰성을 확인하는 프로젝트에 돌입했다. 이 흥미로운 연구 개발 프로젝트 명칭은 'Transformational Challenge Reactor(TCR)'다. 

오크리지 국립연구소는 원자폭탄을 개발하기 위해 미국정부가 후원한 ‘맨해튼 계획(1942)’의 일환으로 건설된 연구 시설로 출범했다. 현재는 미국 에너지부 산하로 원자로 연구개발을 비롯한 다양한 프로젝트를 추진하고 있다.

오크리지 국립연구소 측에 따르면 미국은 전력공급의 약 20%가 원자력 발전을 통해 이루어지며, 소형·고출력으로 비교적 저렴한 건설이 가능한 경수로 원자로가 주로 사용된다. 하지만 라이선스 만료 문제로 2055년까지 미국 원자로의 절반 이상이 폐기될 예정이다. 

이에 대체 원자로 개발이 요구되고 있는 실정이다. 오크리지 국립연구소의 TCR 프로젝트는 막대한 생산 비용이 필요한 기존의 복잡한 디자인 대신, 3D 프린팅 기술로 신속하고 새로운 원자로 모델을 제공해 시간과 비용을 절감하는 솔루션이라고 할 수 있다. 

TCR 기술 책임자인 커트 테라니(Kurt Terrani) 연구원은 "프로그램 현실화를 위해 최근 몇 달 동안 개발에 매진해왔다. 현재 3D 프린터로 출력한 원자로 노심(Reactor Core:원자로 중심부로 원자로 핵연료인 연료봉 다발)의 데모를 실시할 단계에 도달했다"고 설명했다. 

TCR 프로젝트에서 사용되는 노심 모델을 3D 프린터로 출력하는 모습은 다음 동영상에서 확인할 수 있다. 

3D 금속 프린터로 원자로 노심을 출력하는 모습이다. TCR을 통해 개발된 원자로는 연료로 질화 우라늄 ‘TRISO형 피복 연료 입자(TRISO-coated fuel particle)’를, 감속재로 이트륨(yttrium) 수소를 사용한다. 오크리지 국립연구소 측은 “이를 통해 기존보다 적은 연료량으로 임계 상태를 유지할 수 있다”고 밝혔다. 

출력된 노심 모델 이미지는 아래와 같다. TCR 프로젝트를 통해 개발은 물론, 인공지능(AI) 기반의 원자로 작동 테스트 및 성능 분석을 진행 중이며 빠른 상용화를 위한 광범위한 테스트를 진행하고 있다. 

테라니 연구원은 "TCR 컨셉을 현실로 만들 수 있었던 배경은 3D 프린팅 기술의 괄목할만한 발전에 따른 것이다. 3D 프린팅을 통해 과거 수십 년간 원자력 분야에서 활용하지 못했던 기술과 재료를 사용할 수 있다"고 말했다.  

오크리지 국립연구소의 토마스 자카리아(Thomas Zacharia) 소장은 "원자력 산업은 원자력 에너지 기술의 설계·구축·배포 방법에 있어 여전히 제약을 받고 있다"며, "TCR은 첨단 원자력 에너지 시스템의 구축을 가속화하는 새로운 모델을 제시할 수 있다"고 언급했다.

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