[대전=뉴스핌] 김하영 기자 = 지난 29일 찾은 대전 유성구 한전원자력연료 본사. 한전원자력연료는 원전의 심장인 원자력연료를 만드는 국가중요시설이다. 외부에서는 쉽게 볼 수 없는 원전 연료 생산 현장이 이날 기자단에 공개됐다.

생산동 안으로 들어서자 가장 먼저 눈에 들어온 것은 4m 길이의 가느다란 피복관이었다. 이 피복관 안에는 우라늄 소결체(펠릿)가 들어간다. 이 피복관이 연료봉이 되고, 연료봉 수백 개가 모이면 원전 안에 장전되는 원자력연료 집합체가 된다.

한전연료는 국내에서 유일하게 원자력연료를 설계·제조·공급하는 전문기업이다. 국내 경수로형 원전과 중수로형 원전에 필요한 연료를 공급하고 있으며, 아랍에미리트(UAE) 바라카 원전에도 원자력연료를 수출하고 있다.

◆ 손톱만 한 펠릿 하나가 전기 1800kWh 생산

원자력연료 제조의 출발점은 펠릿이다. 펠릿은 손톱만 한 크기로 매우 작지만, 펠릿 하나가 만들어내는 전력량은 약 1800킬로와트시(kWh)에 달한다. 이는 4인 가구가 약 4~5개월 동안 쓸 수 있는 전력량이다.

펠릿은 이산화우라늄 분말을 압축한 뒤 고온에서 구워 만든 원통형 연료다. 높이는 약 1cm, 지름은 0.8cm, 무게는 5.2g 정도에 불과하다.

공정 설명을 맡은 김호영 한전연료 홍보부장은 "펠릿 하나는 작지만 에너지 밀도가 매우 높다"며 "이 작은 소결체들이 피복관 안에 들어가 연료봉을 이루고, 다시 집합체로 조립돼 원전에 공급된다"고 설명했다.

공장 안에서는 긴 연료봉들이 자동화 설비를 따라 이동하고 있었다. 한전연료는 하루 약 1700~1900개의 연료봉을 생산하고 있다.

펠릿은 길이 약 4m의 피복관 안으로 들어간다. 피복관은 원자로 안에서 높은 온도와 압력, 방사선 환경을 견뎌야 하기 때문에 지르코늄 합금으로 만들어진다.

지르코늄은 핵분열을 일으키는 중성자가 잘 통과하면서도 부식과 열에 강해 원자력연료 피복관 소재로 주로 쓰인다.

연료봉 하나에는 펠릿 약 357개가 들어간다. 이후 연료봉 내부에는 헬륨가스가 주입되고 양 끝은 용접으로 밀봉된다. 헬륨가스는 연료봉 손상을 막고 내부 열 전달을 돕는 역할을 한다. 연료봉마다 바코드도 새겨져 있어 생산 이후에도 추적 관리가 가능하다.

◆ 연료봉 236개 모여 집합체 완성…전수검사로 품질 확인

원자력연료 생산에서 가장 중요한 공정은 품질검사다. 원전 안에 들어가는 핵심 부품인 만큼 일부만 뽑아 확인하는 샘플검사가 아닌 모든 연료봉을 검사한다.

검사는 세 차례 이뤄진다. 먼저 비파괴 방식으로 연료봉 내부를 확인한다. 엑스레이처럼 연료봉 안을 들여다보며 펠릿이 제대로 들어갔는지, 깨진 부분은 없는지, 스프링이 빠지지 않았는지를 살핀다.

이어 진공 상태에서 헬륨가스가 새는지를 확인해 용접 상태를 점검한다. 마지막으로 작업자가 연료봉 외부의 흠집이나 오염 여부를 눈으로 직접 확인한다.

검사를 통과한 연료봉은 골격체와 결합된다. 골격체에는 제어봉이 오가는 안내관과 원자로 상태를 확인하는 계측관이 포함돼 있으며, 이를 피해 연료봉 236개가 정해진 위치에 들어간다.

이 과정을 거치면 길이 약 4.5m, 무게 650kg의 원자력연료 집합체 1다발이 완성된다.

집합체 1다발이 생산할 수 있는 전력은 약 1억6000만kWh다. 우리나라 약 5만 가구가 1년 동안 쓸 수 있는 전력량이다.

이 원자력연료 집합체는 원자로 안에서 약 4년 반 동안 사용된다. 다만 원전은 안정적인 운전을 위해 전체 연료를 한꺼번에 교체하지 않고, 통상 1년 반마다 3분의 1씩 새 연료로 바꾼다.

완성된 집합체는 출하 전 저장시설에 보관된다. 이후 특수 운반용기에 두 다발씩 담겨 원전으로 이동한다. 운반용기는 자체 무게만 2.2톤(t)에 달하며 낙하, 침수, 화재 등 각종 안전 기준을 견딜 수 있도록 제작됐다. 국내 운송은 경찰 호송 아래 정해진 절차에 따라 진행된다.

◆ 한전연료, 해외 매출 40% 목표…SMR·AI 제조 혁신으로 미래시장 준비

한전연료는 국내 원전 연료 공급을 넘어 해외시장 확대에도 속도를 내고 있다. 회사는 UAE 바라카 원전 연료 공급 경험을 바탕으로 체코 원전 사업 등 팀코리아 수주 전략에도 참여하고 있다. 지난해 해외사업 매출 비중은 28.5% 수준까지 올라왔고, 장기적으로는 40%까지 높인다는 목표다.

소형모듈원전(SMR) 연료 개발도 핵심 과제로 꼽힌다. 대형 원전과 달리 SMR은 원자로 크기와 구조가 달라 연료 설계도 새로 필요하다. 한전연료는 국내 혁신형 SMR 개발 과정에 참여하는 동시에 해외 SMR 개발사와의 협력도 추진하고 있다.

인공지능(AI)을 활용한 제조 혁신도 추진 중이다. 한전연료는 생산시설을 갖춘 공공기관이라는 점에서 공정 자동화와 품질관리 고도화에 AI를 적용할 여지가 크다고 보고 있다. 따라서 향후 스마트팩토리와 AI 플랫폼을 접목해 무결점·무탄소·무사고 제조체계 구축에 나설 계획이다.

사고저항성연료(ATF) 개발도 진행되고 있다. ATF는 사고 상황에서도 연료 손상을 늦추거나 줄일 수 있도록 안전성을 높인 차세대 원자력연료다. 한전연료는 펠릿에 별도 물질을 소량 넣고, 피복관 외부에 크롬을 코팅하는 방식으로 개발을 진행 중이다.

최재돈 한전연료 기술본부장은 "지난 2024년 연료봉 단위 96개를 새울 원전에 장전해 육안으로 확인한 결과 스크래치 없이 잘 연소되고 있었다"며 "집합체 단위 시험까지 거쳐 2029년 결과를 제출하고 2031년 인허가를 받을 예정"이라고 말했다.

정창진 사장은 "SMR 시대에 한전연료가 연료 설계와 공급을 맡는 핵심 기업이 될 것"이라며 "국가 에너지 정책 이행과 글로벌 원전 시장 확대에 기여할 수 있도록 역량을 키워가겠다"고 강조했다.

gkdud9387@newspim.com