수 천 톤에 이르는 핵융합 원자로의 전자빔 용접

메가 프로젝트 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)에는 현재 35개 국가가 참여하고 있다. 핵융합이 작동하기 위해서는 전자빔 기술로 용접하는 특수 합금으로 이루어진 대형 부품이 필수이다.

슈테파니 쾨어(Stefanie Köhr): pro-beam 그룹 마케팅 책임자, 말리나 쉬체(Marlina Schütze): pro-beam PR 책임자

핵심 내용

  • 전 세계 인구가 지속적으로 증가하여 100억을 넘을 것은 시간문제로 남았고, 이들이 에너지를 충분하게 공급받을 수 있을까?
  • 이를 위해 핵융합 연구를 촉진할 메가 프로젝트 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)의 지원 방안을 마련하였다.
  • 원자로를 건설하기 위해서는 고열에 안정적으로 작동할 수 있는 특수한 재료가 필요하다. 여기에 수 천 톤의 부품을 용접하는 것은 그리 간단한 일이 아니다.
  • pro-beam이 제공하는 전자빔 용접이 해결사로 나섰다. 문제는 30 ~ 60%의 빛의 속도로 가속되는 전자가 관건이다.

현재 지구에는 75억 이상이 인구가 살고 있으며, 이번 세기말에 110억을 넘길 것으로 추산하고 있다. 세계 인구 증가와 더불어 일일 에너지 소비량도 계속해서 증가하고 있다. 현재 프랑스 남부 카다라슈의 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, 국제 핵융합 실험로)에서 조성된 연구 프로젝트는 인류에게 친환경적이고 효율적이며 위험하지 않은 에너지원을 열어주는 것이 과제이다. 여기에 전자빔 기술이 이번 실험에서 주도적인 역할을 하고 있다.

태양열을 인간의 행복으로

메가 프로젝트 ITER에는 다양한 국가의 전문가들이 참여하고 있으며, 그 가운데 미국과 유럽, 러시아, 중국이 포함되어 있다. 자기 핵융합 장치는 석탄이 없는 지구에서 차세대 대규모 에너지원으로서, 태양의 원리를 모방한 핵융합의 현실 가능성을 입증하고 있다.

이번 국제 실험 플랜트의 핵심 요소는 거대한 도넛 형태의 원자로이다. 이 원자로는 ITER에 특별히 지정한 크롬-니켈-강으로 구성된 무게가 약 8,000톤에 이르는 진공 용기를 포함하고 있다. 이 진공 용기에는 앞으로 강력한 자기장이 1g의 중수소-3중수소를 좁은 나선 궤도에 담게 된다. 이 가스는 섭씨 1억 5천만 도로 가열되어 플라즈마 상태가 되고, 이 플라즈마는 태양보다 뜨거우며, 태양의 에너지 방출 원리를 이용하게 된다.

ITER 부품의 무게는 수 톤에 달한다. ITER 직원이 부품 가운데 하나를 전자심 용접 장치에 설치하고 있다.

전자빔 용접을 위한 새로운 땅

이번 프로젝트에서 진공 용기 9개 섹터 가운데 5개 섹터를 강력한 힘을 견딜 수 있도록 pro-beam의 전자빔 기술로 용접한다. “이전에는 핵융합 용기 건설에 전자빔을 사용한 적이 한 번도 없었습니다. 따라서 이번 프로젝트에 이 기술이 최적의 솔루션이라는 것을 수없이 설득해야 했습니다. 심지어 프랑스 원자력 코드 RCC-MR을 전자빔에 맞추어 특별히 조정해야 했습니다.”(Dr.토스텐 뢰버, pro-beam 그룹 CTO)

2001년 Fusion for Energy는 pro-beam을 생산 전략 개발에 동참시켰다. pro-beam은 전 세계에서 가장 큰 민간 용접 시스템을 갖추고 있으며, 최대 12m 높이, 5m 너비의 구성 요소에 대한 기계적 기초를 제공하였고, 이러한 기술의 긍정적 특성이 결정권자들을 설득시켰다. 또한 이 용접 시스템은 다양한 분야에도 큰 영향을 끼쳤다. 시스템의 다양한 구성 요소에 대한 시험 평가에서 수많은 타당성 조사와 샘플 용접을 마쳤고, 2017년에 이르러 본격적으로 진공 용기를 용접할 수 있게 되었다.

전체 프로젝트 범위 내에서 국제적인 기업들과 협업하는 관계로 스케줄을 엄격하게 준수해야 했다. 부품들은 용접 전후에 다른 곳에서 선가공과 후가공을 하였다. 전자빔 초점은 에너지 농도가 높고 성능 밀도를 높아 빠른 용접이 가능하였다. 스케줄을 지키기 위해 이러한 신속성과 결부되어 높은 생산성과 효율이 중요했다. 사내에서 구현되는 견고한 조직 구조는 스케줄 준수와 원자력 코드의 높은 품질을 준수할 수 있었다.

대형 ITER 부품을 용접하려면 대형 챔버 전자빔 용접 시스템이 필요하다.

이만큼 우수한 용접심이 없었다

Dr. 토스텐 뢰버, pro-beam 그룹 CTO: “우리는 인류 최대의 실험에 동참한다는 데 자부심을 느끼고 있습니다. 그리고 이번 프로젝트에서 축적한 경험으로 앞으로 이런 대규모 프로젝트에 대해 충분히 대비하고 있다고 생각합니다.”

또 다른 도전 과제는 용접 작업이다. 대부분 동일한 유형의 부품 수 천 개를 제작하는 일반적인 주문 제작과 달리, 이번 프로젝트에는 각각의 작업이 모두 다르고, 용접공은 매번 새로운 심을 만들어야 했으며, 심 길이도 240mm에서 최대 6m까지 매우 다양했다. 또한 지금까지 없었던 규모의 연구 프로젝트이기 때문에, 지연되는 문제도 감수해야 했다. “이번 프로젝트는 기술적 측면과 조직적 측면에서 매우 까다로웠습니다. 그럼에도 불구하고 우리는 인류 최대의 실험에 동참한다는 데 큰 자부심을 느꼈습니다. 이번 프로젝트에서 축적한 경험을 바탕으로 앞으로 이런 대규모 프로젝트에 충분히 대비할 수 있었다고 생각합니다.”(토스텐 뢰버)

전자빔 기술에서는 심 탐색부터 점검까지 전체 공정이 디지털로 진행되었다. 이어서 용접심이 연속적으로 그리고 최대한 정밀하고 정확하게 용접되었다. 부품에 소요되는 에너지는 비교적 적고 그로 인해 용접 시 거의 변형이 일어나지 않아 극도의 장기 안정성과 높은 치수 안정성을 구현할 수 있었다. 치수 안정성은 수 미터 길이의 ITER 부품들이 서로 정확하게 들어맞는 데에 결정적으로 작용했으며, 변형은 수 mm 크기 또는 그 이하로 일어나야 했다.

결국에는 2,4 km 길이의 용접심을 완성할 것이다

용접 프로세스는 진공 상태에서 이루어져 용접심이 깨끗하고 심의 오류가 최소화되었다. 이번 특수 프로젝트는 후속 공정으로 용접심을 X선 벙커에서 검사하였다. 이번 프로젝트가 종료된 후 pro-beam은 용접심이 1,800개 이상에 심 길이 2.4km 이상인 총 470개의 부품을 제작하게 될 것이다. 이번 실험 원자로는 현재 진행 상황으로 볼 때, 빨라야 2025년에 가동을 시작할 것으로 보인다.

원자로 ITER은 미래 에너지 공급원이다. 이 원자로는 태양과 유사한 조건을 갖게 되며, 여기에 특수한 크롬-니켈-강은 완벽한 기능을 위한 재료 중 하나이다. 이러한 물질로 이루어진 수 톤 무게에 이르는 부품들을 용접하기 위해 pro-beam의 전자빔 용접 노하우가 중요하다.