두산重, 사용후핵연료 CASK ‘DOOSAN-DSS21’ 국산화 완료

두산중공업이 ‘사용후핵연료 저장용기(CASK)’ 장비 국산화 개발을 완료했다. 이로써 최대 12조원대의 국내 CASK 시장 형성이 급물살을 탔다.

정부의 기존 고준위방사성폐기물 관리 기본계획(2016년)에 따르면, 국내 운영 및 건설 중인 경수로형 원전에서 발생되는 사용후핵연료 다발은 현재 임시보관 중인 것을 포함해 약 6만3000개로 추산된다. 이를 수용하기 위해 필요한 저장용기는 약 3000세트로 향후 최대 12조 원대 CASK 공급 시장이 형성될 예정이다. 특히 탈(脫)원전으로 물량공백을 우려하는 원전기자재 업계에 새로운 사업기회를 갖게 될 것으로 전망된다.

CASK는 사용후핵연료를 운반, 저장하기 위한 특수용기로 강한 방사선과 높은 열이 지속적으로 방출되는 사용후핵연료를 운반 및 보관을 위한 특수설계와 제작기술이 요구되는 제품이다. 현재까지 국내에서 높이 약 5.6m, 무게 약 110t이 넘는 사용후핵연료 CASK 분야의 설계와 제작기술을 보유한 국내 기업은 전무한 상태였다. 

이에 두산중공업은 2015년 미국 CASK 전문설계사인 NAC사와 손잡고 사용후핵연료 건식저장시스템 개발에 뛰어들었다. 그리고 약 3년 간의 노력 끝에 두산중공업은 ‘사용후핵연료 CASK 설계와 제작기술’을 모두 확보한 유일한 기업이 됐다.

그렇다고 두산중공업의 CASK 제작(납품)이 전무한 것은 아니다. 두산중공업은 ASME 인증(Class TC & SC)을 바탕으로 고리ㆍ한빛ㆍ한울원전(경수로 건식용) 소내 운반용 CASK(경수로) 6세트를 공급했으며, 2008년 KEPIC TC(운반)& SC(저장) 인증을 취득한 후 2014년에는 일본 동력전력에 운반ㆍ저장겸용 CASK를 수출(12세트)한 경험이 있다.

심재휘 두산중공업 원자력BG CASK사업추진 TF팀 부장은 “2010년 동경전력에서 발주한 운반-저장 겸용(일본 설계) 용기에 대한 12세트 제작, 납품하면서 국내 사용후핵연료 사양에 최적화된 국산화 CASK 설계ㆍ제작 기술이 필요함을 절실히 깨달았다”면서“이에 미국 NAC사의 검증된 CASK 설계 기술을 바탕으로 국내 원자력안전법 및 환경요건을 고려한 사용후핵연료 건식 저장시스템(Dry Storage System)인 ‘DOOSAN-DSS21’을 개발했다”고 설명했다.

또 심 부장은 “두산중공업은 세계적인 원자력주기기 공급사으로서 기존 KEPIC(MNT&MNS) 및 ASME(Sec.III Div.3 WA, WB & WC) 인증을 보유한 CASK 제작기술과 함께 임계, 차폐, 열, 구조해석 및 안전성 시험 관련 CASK 전문 설계역량을 추가로 확보함에 따라 사용후핵연료 CASK 분야 설계ㆍ제작 기술을 모두 확보한 국내 유일의 기업으로 자리매김하게 됐다”고 덧붙였다.

이번에 두산중공업이 개발한 DOOSAN-DSS21은 캐니스터(TSC21), 운반용기(TC21), 이송용기(TFR21), 금속저장용기(MSO21)로 구성돼 있으며, 국내 원전의 사용후핵연료를 운반 및 저장할 수 있도록 최적화된 설계를 구현했다. 먼저 캐니스터(TSC21)는 국내 원전에서 배출되는 다양한 종류의 사용후핵연료(CE&WH 타입)를 장전 가능하고, 핵분열 방지를 위해 내부 Basket 구조물에 중성자흡수재(MMC)를 적용했다. 또 높은 붕괴열이 효율적으로 제거될 수 있도록 설계했으며, 캐니스터 뚜껑의 경우 방사성물질의 외부 유출을 원천적으로 방지했다.

운반용기(TC21)는 용기몸체의 재질로 일체형 단조 탄소강(SA350 LF3 CL.1)을 적용해 구조적 건전성을 확보했으며, 중성자차폐 재질로 장기 저장에 따른 건전성이 입증된 에폭시 레진(NS-4-FR)을 적용해 방사선피폭 규제요건을 만족했다. 또 안전성이 입증된 충격흡수제를 운반용기 좌우에 체결해 운반 중 낙하 사고시 충격 하중으로부터 캐니스터(TSC21)의 격납과 구조 건전성이 유지되도록 설계됐다.

사용후핵연료가 장전된 캐니스터(TSC21)는 운반용기(TC21)를 이용해 핵연료 건물로부터 원전 내 건식저장시설로 이동하는데, 건식저장시설 내에서 운반용기에서 꺼낸 캐니스터를 저장용기로 안전하게 옮겨 담기 위해 이송용기(TFR21)가 사용된다. 이송용기(TFR21)는 외부 충격으로부터 사용후핵연료를 보호하고 작업자의 피폭을 최소해 캐니스터를 안전하게 운반용기로부터 저장용기로 이송하기 위해 고안된 시스템이다.

이처럼 DOOSAN-DSS21은 ▲입증된 CASK 설계기술 적용▲국내 사용후핵연료 사양 최적화 설계 ▲대량 생산설비 구축 및 전문 공급망(Supply Chain) 확보 ▲설계ㆍ제작 전 공정에 걸친 품질보증시스템 확립 등을 통해 국내외 CASK 제작을 통한 축적된 제작기술의 집합체이다.

차요섭 두산중공업 원자력BG CASK설계팀 차장은 “DOOSAN-DSS21은 콘크리트 대비 구조적 안전성이 보강된 Metal Overpack 설계 돼 자연대류냉각 방식의 우수한 열적 안전성은 물론 외부충격 보호 및 방사선 차폐성능 극대화로 안전성을 높였다”고 설명했다.

실제로 2008년에 CASK 관련 KEPIC 인증을 처음 취득할 당시에는 ASME 기술기준에 따라 KN-12(고리원전) 소내 운반용 CASK를 제작 납품했고,  수출형 CASK(일본 동경전력) 제작을 통해 설계ㆍ제작문서 인증 평가에 도움이 됐다.

차 차장은 “2017년 국산화 CASK 모델 개발이 한창 막바지인 시점에는 KEPIC 인증 갱신 심사를 수검하게 됐는데, 개발자 입장에서는 CASK 설계 모델의 다양하고 깊이있는 설계도면 및 해석보고서를 기준으로 심사를 진행하게 돼 ‘CASK 국산화 설계 개발’에 결실을 얻게 됐다”고 자평했다.

이에 산업통상자원부는 지난 7월 24일 산학연 기관장 및 전문가들이 참석하는 ‘제3차 원전해체산업 민관협의회’를 열고 ‘원전해체산업 육성전략’ 후속조치 현황을 점검하는 자리에서 두산중공업의 자체 국산화로 개발완료 된 사용후핵연료 건식 저장시스템(Dry Storage System) ‘DOOSAN-DSS21’를 소개하고, CASK 해외수출 실적(일본 동경전력)을 우수사례(기자재 수출)로 꼽았다.

끝으로 심재휘 부장은 “CASK 1Set 제작을 위해서는 수많은 부품의 가공, 용접, 조립이 요구되는데, 현재 두산중공업에서는 부산ㆍ경남 등 지역협력업체들에게 국내 사용후핵연료 건식저장사업 추진 현황에 대해 적극 알리고 있다”면서 “향후 CASK 사업 참여를 희망하는 협력업체들에게 KEPIC 인증 취득을 위한 기술 지원을 지속적으로 추진하는 등 지역 업체들과 상생의 원전산업 생태계 유지에도 적극 나설 것”이라고 밝혔다.

원자력발전소를 운영하는 모든 국가라면 안전한 사용후핵연료 관리는 ‘영원한 숙제’이다. 국민의 안전과 국가 안보에 직결되기 때문에 각 나라마다 자국만의 CASK 설계모델을 개발해 적용하고 있다.

두산중공업은 국내 사용후핵연료에 최적화된 국산화 CASK 설계를 2017년말 개발 완료한 이후 현재 다양한 파생 설계모델을 개발해 나가고 있다. 지난 40여년간 원전주기기 공급 품질 확보 경험을 바탕으로 ‘CASK 설계 및 제작’ 전(全) 공정에 걸친 품질보증시스템을 구축하고 있으며, 검증된 절차와 인력, 설비를 투입해 ‘한국형 사용후핵연료 CASK’를 제작ㆍ공급할 계획이다.