[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

차세대 초소형 원자로1)는 환경 친화적인 에너지원으로서, 고효율 에너지 공급을 위한 중요한 기술로 주목받고 있다. 이러한 원자로는 소형화되어 다양한 환경에서 설치가 가능하지만, 높은 온도와 방사선 환경에서의 안전성과 실시간 모니터링이 중요한 과제로 남아 있다. 기존 원자로는 주기적인 안전 점검과 유지 관리가 필수적이지만, 이러한 과정은 시간과 비용이 많이 소요된다. 이에 따라 본 연구에서는 직접에너지증착(DED)2) 기술을 활용해 초소형 원자로의 금속 부품에 광섬유 센서3)를 내장함으로써, 실시간 데이터를 수집하고 AI를 기반으로 한 자동 분석을 통해 원자로의 이상 상태를 조기에 감지하는 스마트 부품을 개발하고자 했다. 이 부품은 증강현실(AR)을 활용한 디지털 트윈4) 기술을 통해 실시간으로 원자로의 상태를 시각적으로 모니터링 할 수 있다.

2. 연구내용

본 연구에서는 DED 3D 프린팅 기술을 사용해 초소형 원자로의 금속 부품에 광섬유 센서를 성공적으로 내장했다. DED 기술을 통해 원자로 부품을 제작하는 과정에서, 고온과 방사선이 존재하는 가혹한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 광섬유 센서를 금속 구조 안에 삽입했다. 이를 통해 부품 내부에서 발생하는 온도 변화와 구조적 변형 등을 실시간으로 감지할 수 있다.

이 스마트 부품은 AI 기반의 실시간 데이터 분석 시스템과 연결되어 원자로가 작동 중 이상 상태가 발생했을 때 이를 자동으로 감지한다. 이러한 데이터는 증강현실(AR)을 통해 시각화되어, 원자로의 작동 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 디지털 트윈 기술을 통해 운영 상태를 가상 환경에서 그대로 재현하여 이상 징후를 즉시 파악할 수 있다.

이 연구의 중요한 성과 중 하나는, 광섬유 센서를 금속 부품에 삽입하면서도 부품의 강도와 신뢰성을 유지하는 것이다. 연구팀은 DED 과정에서 발생하는 높은 열과 물리적 스트레스로부터 광섬유 센서를 보호하기 위해, 센서를 보호하는 열 차폐층을 추가하여 손상을 방지했다. 또한, 이러한 센서 내장 부품은 다양한 온도와 운전 조건에서 실험을 통해 검증되었으며, AI 모델을 통해 수집된 데이터를 분석하여 이상 징후를 감지하는 데 성공했다. 센서 데이터는 AR 디지털 트윈 환경에서 시각적으로 구현되어, 원자로의 상태를 2초 이내로 실시간으로 모니터링하고 평가할 수 있다.

3. 기대효과

이번 연구를 통해 개발된 스마트 부품은 초소형 원자로의 안전성과 운영 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 특히 AI 기반 실시간 모니터링 시스템과 AR 디지털 트윈 기술의 결합은 원자로의 상태를 원격에서 안전하고 효율적으로 관리할 수 있게 해주며, 기존의 수동적인 점검 방식을 대체할 수 있는 혁신적인 솔루션이 될 것이다.

더 나아가, 이 기술은 원자력 산업뿐만 아니라 스마트 팩토리, 항공우주, 의료 등 다양한 분야에서도 폭넓게 응용될 가능성이 크다. 스마트 금속 부품에 다양한 센서를 내장하여 실시간 모니터링이 필요한 다양한 산업에서 활용할 수 있으며, 이 기술을 통해 더 안전하고 효율적인 관리 시스템이 구축될 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 초소형 원자로

초소형 원자로는 기존 대형 원자로와 달리 소형화된 원자로로, 안전성을 극대화 할 수 있어 다양한 환경에 설치할 수 있으며 설치 비용이 적게 든다. 전기와 열을 소규모로 안정적으로 생산할 수 있어, 섬 같은 오지나 군사적 목적 등으로도 유용하다. 최근에는 데이터센터와 같은 전력이 집중적으로 필요한 산업 현장에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 운반 가능한 특성과 높은 안전성을 바탕으로 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.

2. DED 프린팅

직접에너지증착(Directed Energy Deposition, DED)은 3D 프린팅의 한 방법으로, 금속 분말을 레이저로 녹여 층층이 쌓아 구조물을 만드는 기술이다. 이 방식은 복잡한 형상의 금속 부품을 제작할 수 있으며, 기존의 제조 방식보다 빠르고 효율적이다. 특히, 원자로와 같은 대형 금속 부품을 제조하는 데 유리하다.

3. 광섬유 센서

광섬유 센서는 광섬유를 따라 흐르는 빛을 이용해 온도, 압력, 변형 등의 물리적 변화를 감지하는 센서다. 마이크로 미터 수준의 작은 지름과 높은 민감도와 분해능을 자랑하며, 특히 높은 온도나 방사선 같은 가혹한 환경에서도 정확한 측정이 가능하다. 이러한 특성 덕분에 원자로 같은 복잡한 시스템의 모니터링 시스템에 필수적으로 활용된다.

4. 디지털 트윈

디지털 트윈은 실제 물리적인 시스템을 가상 공간에서 동일하게 재현한 기술이다. 이를 통해 실제 시스템의 상태나 작동 상황을 실시간으로 모니터링하고, 문제를 예측하거나 개선할 수 있다. 특히 원자로나 고위험 산업 현장에서는 사람의 접근 없이 실제 시스템의 상태를 AR(증강현실) 환경에서 실시간으로 시각적으로 확인할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.

[붙임] 그림설명

그림 1. DED 기반 초소형 원자로 부품의 광섬유 센서 내장 및 모니터링 개요도

a. DED 제조 공정 중 금속 부품 내에 광섬유 센서를 내장하는 과정 모식도

b. 내장된 센서를 기반으로 한 AI 분석 및 실시간 모니터링 시스템 구현 과정

c. 디지털 트윈을 활용해 원자로 부품의 실시간 모니터링 결과를 시각적으로 보여주는 AR 환경 모식도

그림 2. DED 기반 초소형 원자로 부품의 경로 최적화 및 제작 결과

 a. 광섬유 센서 내장을 위한 센서 삽입층에서 사용된 툴패스(toolpath) 모식도

b-c. 툴패스 및 공정 매개변수 최적화 실험 결과

d. 센서 내장형 초소형 원자로 부품 DED 제작 공정 프로세스

그림 3. DED 공정으로 제작된 초소형 원자로 부품의 기계적 특성, 미세구조 분석

a. DED 제조된 금속 부품의 센서 내장 경계면 전자후방산란회절(EBSD) 결과

i 이미지 품질 맵

ii 경계 맵

iii 결정립 방향 맵

iv 역극성 맵

v DED 제작 샘플 영역

b. DED로 제작된 316L 스테인리스강의 기계적 강도 테스트 결과

그림 5. 증강현실(AR)에서의 실시간 변형률 시각화 과정

a.실시간 데이터 전처리와 작동 상태 식별을 위한 개략도

b. 초소형 원자로에서 AR 환경으로의 데이터 흐름

그림 6. AI 통합 초소형 원자로 부품의 디지털 트윈 모니터링 결과

a. AI 기반의 실시간 이상 감지 모니터링: 특정 영역 과열 및 저온 상태를 감지

b. 디지털 트윈을 활용한 원자로 부품의 작동 모니터링: 원자로 부품의 온도 조건을 AR 환경에서 실시간 FEM 이미지로 시각화하여 디지털 트윈 구현