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한국원자력연구원 로봇ㆍ기기진단연구실
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승인 2017.06.13  11:39:42
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▲한국원자력연구원은 자력으로 설계·건설한 연구용 원자로 '하나로'를 이용하여 다양한 연구개발에 활용하고 보다 많은 연구성과를 얻을 수 있도록 노력하고 있다.
에너지는 곧 국력이라는 말이 있다. 에너지는 국가 경제성장을 뒷받침하고 국민생활을 풍요롭게 하며 나아가 국가를 부강하게 하는 힘의 원천이기 때문이다. 에너지원에서도 뛰어난 경제성과 효율성을 지닌 것이 바로 원자력이다.

미국, 프랑스, 일본에 이어 세계 원자력 강국인 우리나라는 총 25기의 원전을 운영하면서 국내 전력 생산량 중 약 30%를 책임지고 있다. 그러나 일본 후쿠시마 원전사고 이후 특히 많은 사람들이 원자력에 대한 우려의 목소리를 내고 있다. 원자력 기술은 전력 이외에도 암이나 각종 질병의 진단과 치료, 농작물의 품종 개량, 고기능성 식·의약품 개발, 식량 자원의 가공 등 우리 생활 속 곳곳에서 사용되고 있다.

▲ 한국원자력연구원 하재주 원장
한국원자력연구원(KAERI. 원장 하재주)은 원자력 기술 자립을 통한 에너지 자립을 목표로 1959년 대전 대덕단지에 설립된 우리나라 최초의 국가 과학기술 연구기관이다. 설립 이래 반세기가 넘는 동안 한국 표준형 원전 원자로 계통 설계, 중수로 핵연료 및 경수로 핵연료 국산화, 다목적 연구용 원자로 ‘하나로’자력 설계 건조, 방사성 동위원소 신약 개발, 사상 첫 원자력 시스템 일괄 수출 등 원자력 기술 자립을 이룩하며 국내 과학기술 발전과 경제 성장을 선도해 왔다.

3000명이 넘는 인원이 근무하고 있는 국내 유일의 원자력 종합 연구개발 기관인 한국원자력연구원 안에는 원자력 이용의 안전성과 경제성을 부가하기 위해 원자력 시설 내에서 사람이 접근하기 어려운 곳에서의 작업을 수행할 수 있는 로봇 기술들을 개발하는 별도 조직이 만들어져 있다. 1988년에 만들어졌으니 어언 30년의 역사를 자랑하는 이 조직이 바로 원자력ICT연구부 로봇·기기진단연구실(실장 정경민)이다.

▲로봇·기기진단연구실을 이끌고 있는 정경민 실장(좌측)과 원자력 로봇팀 최영수 팀장
로봇·기기진단 연구실에는 40여명의 연구 인력이 근무하고 있으며 원자력 로봇팀, 기기 안전진단 연구팀, 핵 전자팀 등 3개 팀이 있다. 로봇과 관련있는 원자력 로봇팀(팀장 최영수)에는 25명의 연구원들이 근무하고 있다. 연구실을 이끌고 있는 정경민 실장은 카이스트에서 생산공학(현 기계공학과)으로 석, 박사 학위를 받았다. 대학원 시절 그의 스승이 바로 KAIST 기계공학과 오준호 교수이다.

30년의 역사를 자랑하는 만큼 그동안 원자력 로봇팀에서 개발한 로봇만 해도 수없이 많다. 원자로 상부 헤드 육안점검 로봇, 원자로 하부 헤드 육안점검 로봇, 원자로 내부 및 냉각 재배관 검사용 수중로봇, 증기발생기 전열관 검사 및 보수 이동로봇, 원자로실 점검로봇, 2차 계통 배관 점검로봇 등 일일이 열거하기도 힘들 정도다.

원자로 상부 헤드 육안점검 로봇은 고방사선 협소구역인 원자로 압력용기의 반구형 상부 헤드의 누설 여부를 육안점검하기 위한 소형 이동로봇으로 2007년 민간 기업에 기술 이전하여 활용되고 있다. 원자로 하부 헤드 육안점검 로봇은 고방사선 협소구역인 원자로 하부 헤드의 누설 여부를 육안점검하기 위한 소형 이동 로봇으로 2004년부터 한빛 3,4호기 검사에 사용되었으며 역시 2007년 민간 기업에 기술이전 하였다.

이와 같은 원자로 헤드의 누설검사는 설계 당시에는 필요성이 없었으나 2002년 미국 데이비스- 베시(Davis-Besse) 원전의 원자로 상부 헤드에서 부식성이 강한 붕산수가 누설되어 헤드가 크게 부식되어 자칫하면 대형사고로 번질 수 있는 상황이 발생하였고, 2003년에도 역시 미국의 사우스 텍사스 프로젝트(South Texas Project) 원전 1호기의 하부 헤드에서도 누설이 발생하면서 검사 필요성이 강하게 제기되었다. 당시 원자력 선진국인 미국에서 조차도 이와 같은 검사를 작업자가 직접해야 했기 때문에 방사선 피폭을 당할 수 밖에 없었는데, 우리나라의 경우 2004년도에 이와 같은 검사를 할 수 있는 로봇을 개발하여 작업자의 피폭을 크게 줄일 수 있었다.

▲ 원자로 용기 검사용 수중 로봇 팔
원자로 내부 및 냉각재배관 검사용 수중로봇은 고방사선 수중환경인 원자로 및 연결배관 내부를 육안점검하기 위한 수중로봇으로 2003년부터 한빛 5,6호기, 한울 5호기 등에 사용된 바 있다. 이 수중로봇이 처음 사용된 것은 2003년 4월 한빛 5호기 원자로 냉각재 계통내 배관에 고정되어 있던 열전달 완충판이 이탈한 사건이 발생했을 때이다. 조사과정에서 열전달 완충판이 어떻게 이탈되었고 고정부 상태가 어떠한지를 확인하기 위해서는 고방사선 환경의 배관내부에 카메라를 투입해야 하는데 잠수부도 도저히 들어갈 수 없는 상황이었고, 마침 한국원자력연구원에서 보유한 수중로봇이 있어 이를 투입함으로써 이탈원인 파악은 물론 미 이탈된 나머지 열전달 완충판들의 상태도 쉽게 확인할 수 있게 되었다.

이러한 로봇들은 원전 설계 당시에는 예측되지 않았던 작업들이 가동년수가 거듭되면서 발생하다보니 개발되어 필요시에만 잠깐 사용되고 있지만, 설계 당시부터 필요성이 인정되어 주기적으로 사용되는 로봇들도 있다. 그 대표적인 예가 증기발생기 전열관 검사와 원자로 용기 용접부 검사 작업을 수행하는 로봇들이다.

이러한 작업들은 원자로내의 핵연료를 냉각시킬 수 있는 고방사성의 냉각수가 밖으로 새어 나오지 않기 위해 필수적으로 해야 하는 작업인데 방사선 준위가 너무 높다보니 도저히 사람이 할 수 없는 작업들이다. 국내의 경우 이를 위해 처음에는 미국 등으로부터 로봇들을 도입해 활용하였으나 노후화되면서 국산화 필요성이 크게 제기되었다. 증기발생기 전열관 검사 및 보수 이동로봇은 2012년 수출원전 APR1400형의 신고리 3호기 증기발생기 전열관 가동전 검사에 투입 활용되었고, 계속적인 보완을 수행하였으며, 원자로 용접부 검사용 수중 로봇 팔 역시 개발이 완료되어 있다.

▲실내 모니터링 로봇
원자로실 점검로봇은 고방사선 구역인 중수로형 원전의 원자로를 점검하기 위한 로봇으로 1999년부터 현장요청에 따라 투입 활용되어 왔다. 로봇이 중수로형 원전의 원자로까지 접근하려면 바닥이 움푹패인 70cm폭의 차폐문 레일을 넘어가야 하고 높이 약 10m까지 카메라로 점검을 해야 하기 때문에 이 로봇의 이동부 트랙은 레일을 넘어갈 수 있도록 높이를 조절할 수 있게 되어 있고, 몸통 위에는 10m까지 카메라를 올릴 수 있는 승강장치가 부착되어 있다.

원자력발전소가 계속적으로 전기를 생산하기 위해서는 핵연료를 주기적으로 교체해 주어야 하는데 중수로 원전의 특징은 이와 같은 작업을 핵연료 교환기라 부르는 거대한 로봇이 자동으로 수행한다는 점이다. 문제는 이 장비가 핵연료를 교환하는 도중에 고장이 발생하는 경우가 있을 수 있는데 이를 대비하여 장비를 수리할 수 있도록 교환중인 핵연료로부터 핵연료 교환기를 분리하는 조작장치를 만들어 두었으나 이를 사람이 높이 10m이상의 장대형태의 도구로 방사능이 낮은 지역에서 하다보니 큰 어려움이 있었다는 점이다.

▲원자로실 점검로봇
원자로실 점검 로봇은 이후 계속적인 보완이 거듭되면서 이와 같이 핵연료 교환기를 사람대신에 분리하는 기능도 추가되었고 지금은 두 개의 로봇 팔을 달아 용접이나 절단도 할 수 있는 기능을 추가개발 중에 있으며 국내 원전에서 필요시 언제든지 투입될 수 있는 준비태세를 갖추고 있다.

2차 계통 배관 점검로봇은 협소지역으로 작업자가 직접 점검이 어려운 직경 500mm이내의 소형 배관 내부를 점검하기 위한 로봇으로 2013년부터 고리 2호기 및 한울 1호기 등에 활용되었다. 이 로봇은 신규원전의 경우 점검 필요성이 없던 해수배관 내면 코팅 등의 점검 요청이 있어서 이미 개발된 로봇을 개조한 것이다.원자력 시설용 로봇은 작업/환경/상황 등의 복잡성으로 인해 일반 산업용 로봇과 같은 자동화, 가정용 로봇과 같은 지능화보다는 작업자가 현장상황을 쉽게 인지하고 조작할 수 있는 원격조작성이 중요하며, 특히 방사선 등으로 인한 극한환경에서 오작동없이 동작할 수 있는 신뢰성이 매우 중요하다. 또한 협소지역, 고소지역에 접근하여 복잡한 작업을 하기 위해서는 로봇의 소형화, 경량화, 고출력화를 위한 다양한 기술들의 개발이 크게 요구된다. 이렇게 개발된 기술들은 국내 원자력 발전소의 가동 중에 예측되지 않은 고장 발생시 실제 투입되어 사용되어 왔다.

▲ 원자력 로봇 활용 분야
최근 원자력 로봇팀에서는 원자력시설의 운용 전 주기인 유지보수, 사고대응, 제염해체에 적용하기 위한 여러 로봇들을 연구하고 있다.

유지보수용으로는 원자력발전소에서 증기를 발생시키는 전열관의 전검사를 위한 로봇인 원전 증기발생기 전열관 검사용 이동로봇, 원자력발전소의 원자로 용접부의 결함 검사를 위한 원자로 용기 검사용 수중 로봇팔 등이 있다.

▲드론이 탑재된 실외 모니터링용 무인화 시스템
사고 대응용으로는 실외 잔해 제거용 무인화 시스템, 실외 모니터링용 무인화 시스템, 실내 모니터링용 로봇 등이 있다. 원전사고의 경우 상황에 따라 그 규모가 크게 다를 수 있기 때문에 대응용 로봇 역시 얼마나 많이 필요할지 사전 예측할 수 없다는 판단에서, 이와 같은 로봇을 개발할 때의 기본 전략은 새로운 로봇을 개발하기 보다는 기존의 상용 유인운전 장비를 원격에서 제어할 수 있도록 개조하는 것이다. 쉽게 탈부착할 수 있는 원격 제어모듈을 사전에 준비해 두었다가 사고가 발생했을 때 그 규모에 따라 필요한 수의 상용 장비를 즉시 수급, 개조하여 사고에 투입하는 것이 사용될 수 있을지, 없을지 모르는 많은 수의 장비를 미리 준비해 두는 것보다 현실적이라는 판단에서다.

▲사고발생시 중량물을 취급하는 무인 지게차
이런 판단하에 중량물을 취급할 수 있는 지게차, 붕괴지형에서도 이동성이 높은 ATV등을 대상으로 무인화 키트를 개발하고 있으며, 상용화된 지상 이동 로봇에 3차원 카메라를 장착하여 실내 3차원 지도를 만드는 기술, 상용화된 드론에 소형 경량의 방사선 센서를 부착하여 방사능 오염지도를 만드는 연구도 진행중이다.

▲ 원자로 해체용 고중량 취급 로봇팔
제염해체용으로는 고중량 취급용 로봇 팔이 있는데 고리 1호기의 영구정지 결정에 따라 원자력 시설 해체에 대한 사회적 관심이 높아지고 있는 현 상황에서 해체작업의 안전성과 경제성을 동시에 높일 수 있는 로봇을 개발하여야 한다는 판단하에 원자로 용기 절단을 위해 고하중 대상물의 고정밀 취급이 가능한 수중 로봇 팔을 개발하고 있다.

▲ 방사선 암치료용 로봇시스템
이외에도 최근 방사선 융합과 관련해 방사선 암치료용 로봇팔도 개발하였는데 최근 암환자의 지속적 증가에 따라 많은 각광을 받고 있는 미국의 사이버나이프(CyberKnife)라고 하는 로봇 방사선 치료기보다 더 안전성과 경제성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

▲원자력 로봇팀 연구원들이 화이팅을 외치고 있다.
원자력 로봇팀은 연구개발 활동 이외에도 개발된 기술들이 실제 현장에서 활용될 수 있도록 시험시설 보강, 사고시 기술지원 체계구축, 원자력 로봇기술의 국제 표준화 등의 업무도 추진하고 있는데 이를 위해 국제협력에도 노력을 기울이고 있다. 미국 NIST와 재난대응로봇 시험/평가분야에서 협력해 나가고 있으며, 후쿠시마 사고시 로봇지원을 제안했던 프랑스의 원자력 사고대응 로봇 운영조직인 그룹 인트라(Groupe-Intra), 구 소련의 체르노빌 원전사고시 직접 로봇을 투입한 경험을 가지고 있는 러시아의 RTC 등과도 최근 교류를 강화해 나가고 있다.

▲ 원자력 로봇기술 중장기 로드맵
향후에는 로봇기술의 원자력 분야 적용확대를 위해 차별화된 로봇기술 개발에 집중함으로써 향후 10년 후 동북아 주변국 원자력 사고에 즉시 대응할 수 있는 무인대응 시스템을 구축·운영할 계획이다.

▲원전 증기발생기 전열관 검사용 이동로봇
특수 목적용 로봇 연구시 무엇이 가장 어려운 점인지 궁금했다. 정경민 실장은 이에 대해 “일반적으로 개발된 로봇은 그 기능과 성능, 신뢰성으로 판단합니다. 신뢰성은 충분한 시간과 비용을 투자하면 높일 수 있지만, 원자력 분야에서 로봇을 연구하며 어려운 점은 기술적으로 원자력분야에서 요구하는 성능 수준을 맞추기에는 가용한 관련 기술들의 수준이 아직까지 낮다는 점입니다. 예를 들어 사람과 유사한 속도와 힘을 가지는 로봇을 만들려면 소형경량의 고출력 모터와 고용량 배터리, 경량의 재료들이 필요한데 현실적으로 큰 제약이 발생합니다. 고온이나 고방사선 환경에 견딜 수 있는 기술도 마찬가지입니다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해 다양한 방법들의 시도와 실패를 거듭하고 있는데 이에 대한 평가는 그리 좋지 않습니다. '로봇을 개발했다면서 왜 당장 쓸수 없느냐', '아무리 노력한들 정말 사람같은 로봇을 만들 수 있겠느냐'며 TRL((Technology Readiness Level : 기술 성숙도 레벨)에 대한 기본 개념도 없는 외부 평가자들의 성급한 비난을 들어가면서 또 다시 시도해야 한다는 현실이 그 보다 더 어려울 수도 있습니다. 차라리 그냥 큰 노력들이지 않고 현실적으로 가능한 것만 하면서 그럴듯하게 보여주는것이 나은게 아닌가 하는 유혹을 극복한다는 것이 쉽지 않습니다.”라고 어려움을 말했다.

▲ K-R2D2 (Korean Rapid Response Demonstrator for Disasters) 실내 모니터링 로봇. 한국의 재난 신속대응 실증장치라는 의미를 가지고 있다.
전화국 기술자였던 아버지 영향으로 기술에 대한 막연한 관심속에 눈으로 쉽게 관찰할 수 있는 기계공학분야인 서울대 기계설계학과에 진학한 정 실장은 대학 3학년 때 교내 마이크로마우스 경진대회를 처음 보면서 로봇에 대해 흥미를 느끼게 되었다. 본격적으로 로봇을 공부하고 싶어 카이스트에 진학했지만 생산공학과 마찰공학(Tribology)으로 석사를 마치고 큰 아쉬움이 남아 다시 로봇 연구를 하기 위해 박사과정을 진학하게 되었다고 한다.

정 실장이 원자력연구원과 인연을 맺은 사연은 이렇다.“당시에는 두 발로 걷는 로봇은 생각지도 못해 네 발 달린 로봇의 정적인 걸음새에 대한 연구를 수행하였습니다. 박사과정 마지막 여름방학 중 취업준비 겸 원자력연구원 연구생으로 들어와 로봇 그래픽 모델링쪽을 하게 되면서 원자력연구원과 처음 인연을 맺었습니다. 하지만 당시 자리가 없어 지도교수님 추천으로 선문대 기계 및 제어공학부에서 7년간 학생들을 가르치다, 지도교수인 오준호 교수님께서 휴보 초창기 버전을 만드시는 것을 보며 미련을 또 버리지 못해 2002년 원자력연구소에 들어오게 되었습니다”라고 말한다.

가장 보람있었던 일이 무엇이냐고 묻자 “아직까지는 정말 하고 싶은 연구결과를 성취하였다는 느낌이 없어 내세울 만한 일은 기억나지 않습니다. 하지만 원자력발전소 현장에 로봇을 투입해 주어진 임무를 완수하였을 때, 우리나라 원자력 발전의 안전성과 경제성에 조금이라도 기여했다는 자부심은 느끼고 있습니다”라고 말했다.

▲로봇·기기진단연구실 정경민 실장
향후 계획에 대해서 정 실장은 “인간 크기 정도의 로봇을 만들 수 있는 기술들을 기반으로 원자력 사고대응 로봇을 개발하고 나면, 인간이 도저히 갈수 없는 공간까지 접근할 수 있는 초소형 로봇, 인간이나 기존장비로 도저히 해낼수 없는 일을 할 수 있는 거대 로봇 기술 개발에 집중해 볼 계획이라는 포부를 밝혔다.

문재인 정부는 신고리 5, 6호기 공사중단 및 신규 원자력발전소 건설 백지화, 현재 가동 중인 원전 1차 수명 후 폐쇄 등과 같은 ‘탈(脫)원전’ 정책을 에너지 공약의 핵심으로 내세우고 있다.

하지만 국내 전력 생산의 30% 이상을 차지하고 있는 원전을 짧은 기간 내 태양광ㆍ풍력 등 신재생에너지로 전환한다는 것은 말처럼 쉬운일이 아니다. 그리고 설령 탈원전 정책을 추진한다고 하더라도 지금까지 가동중인 25기의 원전을 해체하고 사용후핵연료 처리를 위해서는 방사선 피폭 위험 때문에 반드시 로봇을 활용해야 한다. 그래서 원자력 로봇기술 개발은 앞으로도 쉼없이 이루어져야 한다.

한 조사에 의하면 현재 해체 대상 원자로는 전 세계적으로 약 120기가 있으며, 원전해체 시장은 IAEA 추산 2030년 500조 원, 2050년 1,000조 원 규모라고 한다. 이 거대 시장에 우리나라가 진출하려면 원자력 로봇기술 개발에 아직도 많은 투자가 이루어져야 하지 않을까. 한국원자력연구원의 성과를 앞으로도 기대한다.

조규남  ceo@irobotnews.com
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