전체 모습     슬라이드형 마스트를 펼친 모습

가압중수로형 원자력발전소의 핵심기기 중 하나인 핵연료 교환기에 이상이 발생했을 때 비상조치를 통해 불필요한 원전 가동 중단을 막을 수 있는 ‘중수로 핵연료 교환기 비상구동 이동로봇’을 국내 연구진이 개발해냈다.

한국원자력연구원 원자력로봇랩 정승호 박사팀은 산업자원부 전력산업연구개발사업의 일환으로 4년간 연구개발 끝에 가압중수로형 원자력발전소의 핵연료 교환기에 예기치 못한 상황이 발생했을 때 발전소 운전을 중단시키지 않고도 이상 상태를 탐지하고 복구할 수 있는 ‘중수로 핵연료 교환기 비상구동 이동 로봇’을 개발했다고 밝혔다. 이 로봇을 국내 원전 현장에 적용하면 원자력발전소의 안정적 가동에 기여하고, 선진국으로 수출도 가능할 것으로 보인다. 또한 개발된 로봇에 적용된 원격로봇 제어 및 비상조치 작업 기술은 위험지역 내에서 작업을 해야 하는 원자력 관련 시설뿐만 아니라 유독성 물질 취급설비, 화학 플랜트와 같은 극한환경에서 다양하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

가압중수로는 우라늄-235의 비율이 2~5%인 저농축 우라늄을 사용하는 가압경수로와 달리 농축하지 않은 천연 우라늄(우라늄-235 비율 0.7%)을 사용하는 원자로로 우리나라의 월성 1~4호기를 포함, 전 세계에서 운전 중인 원전의 5% 가량을 차지하고 있다. 가압중수로는 새로운 핵연료의 공급이 빈번하게 이뤄져야 하므로, 운전 중에도 연료 교환이 가능하도록 핵연료 교환기가 설치되어 있다. 칼란드리아(Calandria)로 불리는 원통형의 원자로 용기 내에 직경 약 10cm인 압력관(pressure tube)에 보통 12개의 핵연료 집합체가 장착되는데, 핵연료 교환기를 사용해서 1일 평균 2개 압력관의 핵연료를 교체하고 있다.

원전의 정상 운전 상태에서 원자로 주변은 고방사선 지역으로 사람이 접근할 수 없기 때문에, 핵연료 교환기를 이용한 핵연료 교환 중에 이상이 발생할 경우 발전소 운전을 중단하고 수작업으로 점검 작업을 수행해야 한다. 원전 가동이 중단될 경우 하루 수 억원의 손실을 초래하는 만큼 핵연료 교환기에 예기치 못한 상황이 발생하였을 때 발전소 운전을 중단시키지 않고 정상 가동 상태에서 로봇을 투입해서 핵연료 교환기의 이상상태를 탐지하고 복구시킬 수 있는 원격 작업용 로봇이 절실하게 필요한 상황이다.

정승호 박사팀이 개발한 ‘중수로 핵연료 교환기 비상구동 이동로봇’은 이동경로 주행과 장애물 통과 등이 가능한 바퀴 주행형 형상 가변형 트랙을 갖춘 이동장치부, 핵연료 교환기가 최대 높이(9.5m)에 위치하였을 경우에도 핵연료 교환기 위치까지 도달할 수 있는 슬라이드형 마스트, 원격 비상 조치용 매뉴플레이터부로 구성되어 있다. 또한 로봇 제어 시스템은 산업용 컴퓨터를 기본으로 구성한 관리제어부와 로봇 내에 장착되는 원격제어부로 이루어져 있다. 특히 원격제어부는 고방사선 환경에서 견디도록 설계하였으며, 주제어기에 이상이 발생했을 경우에도 최소한의 기능을 수행할 수 있도록 비상용 보조제어기를 장착해 최대한의 신뢰도를 유지하도록 했다.

정승호 한국원자력연구원 원자력로봇랩장은 “모의 시설을 통한 자체 시험과 가압중수로형 원자로인 월성 원전에서 현장 시험 등을 통해 개발한 로봇의 기능을 검증했다”며 “핵연료교환기 이상 발생 시 수작업에 따른 작업자의 피폭 위험을 줄이고 불필요한 원전 가동 중단을 막아 중수로형 원전의 안전성과 경제성 향상에 기여할 것으로 기대 한다”고 밝혔다.