[이달의 과학기술자상] 정용환 원자력硏 책임연구원

‘핵연료 피복관’ 국산화 성공

지르코늄 합금 기술로 개발… 이르면 내년 생산

외국제품 보다 성능·안전성 2배이상 뛰어나

수입대체 등 연간 500억원 부가가치 기대

이달의 과학기술자상 7월 수상자로 선정된 정용환(앞줄 왼쪽 두번째) 한국원자력연구소 책임연구원이 고성능 핵연료 피복관 개발에 참여한 팀원들과 함께 기념촬영을 하고 있다.

기존 핵연료 피복관보다 성능과 안전성이 두 배 이상 월등한 것으로 판명된 HANA 피복관의 절단면.

핵연료를 장착, 완성품 형태를 갖춘 모습.

이르면 내년부터 전량 수입에 의존하고 있는 원자력발전소의 핵연료 피복관이 우리 기술력으로 생산, 자체 조달할 수 있게 된다. 또 이 피복관은 기존 외국 업체들의 생산중인 피복관에 비해 월등한 성능을 자랑, 기술기반이 없는 중국, 인도 등 아시아 지역 원전 국가를 대상으로 수출도 가능할 것으로 기대된다.

이달의 과학기술자상 7월 수상의 영예는 미국ㆍ유럽 선진국의 영역으로 간주돼온 핵연료 피복관의 국산화에 성공, 현재 시범 생산을 준비 중인 정용환 한국원자력연구원 책임연구원에게 돌아갔다. 이 피복관 개발성공으로 기대되는 연간 부가가치는 최소 500억원 이상이라는 평가다.

핵연료 피복관은 원자로 내에서 이산화우라늄(UO₂)이 안전하게 핵분열 반응을 일으키고 핵분열 시 발생되는 열을 안전하게 냉각수로 전달하는 역할을 한다. 특히 방사성 물질이 외부로 누출되는 것을 막아주는 일차적인 방호벽 역할을 하고 있어 원자력발전소 내 핵심 부품 중 하나로 꼽히고 있다.

정 연구원은 고온ㆍ고압의 극한 원자로 운전 조건에서 수년간 사용해도 안전한 제품 개발을 목표로 지난 90년대 중반부터 연구에 착수, 지르코늄 합금 기술을 이용한 'HANA 알로이' 피복관 개발에 성공했다.

그는 "10년 전만 하더라도 국내에는 원자력 소재 개발에 대한 경험과 인프라가 전무해 국산 지르코늄 재료 개발의 성공 가능성이 매우 낮았다"며 "무엇보다 미국, 일본, 독일, 프랑스 등 원자력선진국 사이에서 기존 피복관을 대체하는 새로운 신형 피복관 개발이 거의 마무리된 상태여서 10~15년에 달하는 기술격차를 극복해야만 했다"고 말했다.

때문에 정 연구원은 연구 초기 원자력 선진국들이 발표한 연구와 특허 자료를 분석, 이를 바탕으로 수 차례의 합금선정 작업을 했다.

이 과정에서 학계와 국내 다른 연구소들이 가세해 700종에 달하는 합금 실험을 수행했고, 마침내 국내 독자소유권을 확보한 6종의 최종 후보합금(HANA)을 찾아냈다는 게 정 연구원의 설명이다.

그는 "수 년간 합금설계-합금제조-평가시험을 반복하는 과정에서 잇따른 좌절과 실패의 쓴맛을 봤다"며 "특히 연구 초기부터 '국내 여건상 지속적인 연구가 어려울 텐데 아예 하지 않는 게 좋을 것'이라는 외부의 회의적인 시각에 맞서 꼭 성과를 내야 한다는 강박관념에 시달렸다"고 고충을 털어놓았다.

정 연구원이 개발한 HANA 피복관은 현재 우리나라는 물론 미국, 일본, 유럽, 중국 등에서 30건에 달하는 특허가 대량 등록돼 있는 상태다.

또 한국수력원자력이 HANA 피복관의 우수성을 인정, 현재 상용화를 위한 국내 지르코늄 튜브 제조공장 설립을 진행 중이다. 오는 10월 중에는 국내 한 원자력발전소에 피복관을 장전, 최종 노내 성능을 검증할 예정이다.

정 연구원은 "지난 2004년 노르웨이 할덴연구소가 보유하고 있는 연구로를 이용, 올해까지 3년간의 연소시험을 끝마쳤다"며 "검사 결과 기존 상용 피복관 대비 2배 이상 향상된 성능이 입증됐다"고 강조했다. 그는 이어 "내년부터 본격적인 상용화가 이뤄지면 상당한 수준의 외화절감 효과가 있을 것"이라고 말했다.

포스코도 못만드는 시제품 제조 위해 세계 누벼

■개발 뒷얘기

"핵연료 피복관 독자 개발을 위해 세계 곳곳을 찾아 다녔지만, 시장잠식을 우려한 해외기업들은 아무도 시제품 개발에 응하지 않았습니다."

정용환 한국원자력연구원 책임연구원은 지난 2000년의 긴박했던 상황만 떠올리면 지금도 등에서 식은땀이 흐른다고 한다. 각고의 노력 끝에 세계 최고 품질의 핵연료 피복관을 만들 수 있는 원천기술을 획득했지만 정작 이 기술을 실제 적용해 피복관 시제품을 만들 수 있는 제조 시설이 국내에 전무했던 것.

지금은 세계적 철강회사로 우뚝 선 포스코마저 당시 기술적 이유로 정 연구원의 의뢰에 손사래를 쳤다고 한다. 일반 강관을 만드는 기술로는 정 연구원의 정밀한 피복관을 제대로 구현하기 어려웠던 것.

정 연구원은 "결국 해외 업체에 눈을 돌려 미국, 유럽, 러시아 등을 돌며 관련 기업의 문들 두드렸지만 모두들 '이 같은 기술이 상용화하면 기존시장에 타격을 줄 수 있다'며 일언지하에 거절했다"고 전했다.

시제품 단계에서 그동안의 모든 노력이 물거품이 될 위기에 처한 그에게 행운은 의외의 곳에서 날아 들었다. 기술통제ㆍ관리가 유난히 까다롭기로 소문난 일본의 스미모토금속공업(SMI)이었다. 정 연구원은 이곳을 통해 2001년과 2002년 두 차례에 걸쳐 시제품을 얻을 수 있었다.

정 연구원은 "아마도 시제품 개발이 성공적으로 이뤄질 경우 향후 이를 한국시장에 공급할 수 있다는 전략적 판단에서 제작 의뢰에 응했을 것"이라며 "그러나 한국수력원자력측이 자체 생산을 위한 제조공장을 건설하고 있어 SMI의 기대는 지금으로서는 물거품이 된 셈"이라고 말했다.