원자력연, 3D 프린팅 기반 내열 합금 신기술 개발 … 핵연료 피복관 안전성 5배 강화

세계 최초 산화물 분산강화 합금하는 신기술
1200도 고온에도 변형없고 가공시간 비용 저렴
핵연료와 항공우주 산업서 활용 가능

기술개발을 이끈 김현길 책임연구원이 공정을 지켜보고 있다

세계 최초로 3D 프린팅 기반 내열 합금 신기술이 개발됐다.

이 기술은 고온에서도 변형되지 않기 때문에 핵연료 피복관의 안전성을 5배 이상 강화할 것으로 기대된다.

한국원자력연구원(원장 하재주)은 3D 레이저 프린팅 기술 활용해 기존 대비 성능은 높이고, 20배나 빠르게 ‘산화물 분산강화(ODS)’ 합금을 만들 수 있는 신기술을 세계 최초 개발했다. 이미 원천성을 인정받아 현재 국내를 포함해 미국, 일본, 프랑스에 특허 등록을 완료한 상태다.

산화물 분산강화 소재는 내열이 필요한 모든 금속 재료에 고온에 강한 산화물을 섞어 만든 합금이다. 이 소재는 고온을 견뎌야 하는 비행기 엔진, 원자로 부품, 가스 터빈, 미사일 노즐과 등 내열성이 필수인 국방과 에너지, 항공우주 산업에서 핵심 부품으로 광범위하게 사용되고 있다.

원자력연에서 세계 최초로 개발한 신기술은 최종 제품을 만든 후 제품 금속 표면에 산화물 입자를 도포하고 3D 프린터의 레이저 열원으로 금속을 녹이면서 동시에 산화물 입자를 혼합 후 냉각해 금속 내부에 내열층을 만들어내는 방식이다.

산화물 입자를 금속 내부에 고루 분포시키면서 가공 시간과 비용을 기존 기술 대비 20분의 1로 단축할 뿐만 아니라, 사용자가 원하는 특정 부분만 강화할 수 있어 혁신적인 기술로 평가 받고 있다.

3D 레이저 프린팅 기반 산화물 분산강화 기술은 후쿠시마 원전사고와 같은 원자로 수소 폭발을 방지하기 위해 개발을 시작했다.

후쿠시마 사고 당시 원자로 내부의 고온으로 핵연료 피복관이 변형, 파괴되고 핵연료 피복관이 산화되면서 다량의 수소가 발생, 결국 수고 폭발로 이어졌다. 원자력연이 개발한 3D 레이저 프린팅 기반 산화물 분산강화 기술을 적용하면, 핵연료 피복관은 1200도의 고온에서도 변형되지 않기 때문에 수소 발생을 크게 억제해 후쿠시마 사고와 같은 심각한 사고를 미연에 방지할 수 있다. 또 사고 대응시간을 추가로 확보할 수 있어 사고 시 핵연료의 안전성을 5배 정도 강화할 것으로 기대된다.

원자력연은 사고저항성 피복관 개발과 함께 기타 산업 전반에 확장 적용할 수 있도록 기술을 고도화할 예정이다.

김현길 원자력연 핵연료안전연구부 책임연구원은 “원자력뿐 아니라 비행기 엔진, 미사일 노즐 등 항공우주 분야에서도 적용할 수 있다”고 말했다.
이해미 기자