원자력 분야의 적층 제조: 인증 확보, 가용성 보장, 혁신 촉진

2026년 7월 28일 | 읽는 데 걸리는 시간: 8분

원자력 산업은 매우 구체적인 과제에 직면해 있습니다. 많은 원자력 발전소가 당초 계획보다 훨씬 더 오랫동안 가동될 것으로 예상되는 반면, 예비 부품, 검증된 공급망, 그리고 완전한 기술 문서를 확보하기는 점점 더 어려워지고 있습니다. 동시에, 보조 설비 및 발전소 부대 설비 시스템에 대한 기술적 수정조차도 안전성, 추적성, 자격 인증에 관한 가장 엄격한 요건을 충족해야 합니다. 이러한 맥락에서 적층 제조 (AM)는 실험적인 기술이 아니라, 엄격한 규제 체계 내에서 예비 부품의 확보를 보장하고, 보다 유연한 유지보수 주기를 도입하며, 기술적 개선을 구현할 수 있는 잠재적 수단으로서 주목받고 있습니다.

왜 지금 원자력 분야에서 AM이 주목받고 있는가

주요 요인 중 하나는 원자력 설비의 노후화 현실입니다. 전 세계 원자력 발전소의 상당 부분이 운영 수명이 상당히 길어짐에 따라, 유지보수는 지속적인 전략적 과제가 되었습니다. 예를 들어, 프랑스의 경우 58기 원자로 중 39기가^2025년에 가동 40년 차에 도달했다¹. 그 결과, 문서, 공구, 안정적인 공급망 등을 포함한 부품 확보 문제가 급격히 부각되고 있다. 병목 현상은 원자로에 직접 연결된 부품에서만 발생하는 것이 아니라, 보조 및 주변 시스템 역시 유지보수 기간, 가동 중단, 발전소의 경제적 운영에 큰 영향을 미치고 있다.

AM은 주로 디지털 공정 체인을 통해 이러한 과제를 해결합니다. 부품은 확보된 데이터를 바탕으로 재현할 수 있을 뿐만 아니라 스캐닝을 통해 리버스 엔지니어링도 가능하며, 이는 단종된 부품을 다룰 때 특히 큰 장점이 됩니다. 동시에 AM은 새로운 차원의 설계 자유도를 열어줍니다. 기존 제조 방식으로는 한계에 부딪히는 부분에서도 기능 통합, 내부 채널, 또는 유동 최적화 형상을 구현할 수 있습니다. 또한, 신속한 반복 주기를 통해 개발 및 최적화 단계를 대폭 단축할 수 있습니다. 아울러, 소재 변경에 따른 비용 부담이 기존 제조 방식에 비해 현저히 낮기 때문에 AM은 “차세대” 소재로의 전환을 가능하게 합니다.

노후화 및 가용성: 보다 유연한 유지보수 주기를 위한 구성 요소로서의 AM

부품은 마모되고, 원래 제조사는 사라지며, 공구류나 완전한 기술 문서를 더 이상 구할 수 없는 경우가 빈번한 반면, 납기 기간은 점점 더 중요한 요소가 되고 있습니다. 이는 직접적으로 안전에 결정적인 요소는 아니지만, 플랜트의 가동률과 수명 주기 성능에 큰 영향을 미치는 보조 및 주변 시스템에 특히 큰 영향을 미칩니다. 여기에는 이른바 ‘단종 부품’이 포함됩니다. 이는 여전히 필요하지만 일반적인 경로를 통해 더 이상 조달할 수 없는 부품으로, 펌프, 밸브 또는 보조 터빈 시스템의 기능성 부품은 물론 특정 하우징이나 브래킷 등이 이에 해당합니다. 이러한 부품은 주로 금속 부품이지만, 전기 제어 시스템 및 스위치와 관련된 폴리머 부품에서도 동일한 경향이 관찰됩니다.

이러한 맥락에서 적층 제조는 새로운 가능성을 열어줍니다. 기존 데이터를 기반으로 하거나 목표에 맞춘 재설계를 통해, 이러한 부품을 재현하는 동시에 설계 측면에서 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 냉각 성능을 개선하거나, 기계적 견고성을 높이거나, 수명을 연장하는 등의 조정이 가능합니다. 따라서 적층 제조는 단순한 기존 제조 방식의 대체 수단을 넘어, 기존 부품을 오늘날의 운영 요구 사항에 맞게 조정하는 도구로 진화하고 있습니다.

에너지 기업 에퀴노르(Equinor)는 실용적인 산업 사례를 보여주고 있는데, 이 회사는 수년 동안 예비 부품 공급의 노후화 문제와 위험을 해결하기 위해 적층 제조를 체계적으로 활용해 왔다. 적층 제조된 부품은 긴 리드 타임을 피하고, 필요에 따라 예비 부품을 생산하며, 물리적 재고를 디지털 재고 데이터로 점차 대체하는 데 사용된다. 한 사례에서는 폴리머 나사와 같이 겉보기에는 사소한 부품조차 적층 제조를 통해 대체함으로써 상당한 비용 절감 효과를 거두었다.²

이 접근 방식은 3D 스캐닝, 디지털 모델링, 적층 제조 기술을 결합한 것으로, 금속 및 폴리머 부품 모두를 재구성하고 재생산할 수 있게 해줍니다. 특히 예비 부품 확보가 어려운 노후 설비의 경우, 이를 통해 유지보수 과정에서 직면하는 핵심적인 난제를 해소할 수 있습니다. 따라서 적층 제조는 단순한 생산 방식에서 벗어나, 특히 외진 지역이나 접근이 어려운 현장의 디지털 유지보수 및 예비 부품 전략에 없어서는 안 될 핵심 요소로 자리매김하고 있습니다.

이 예시는 또한 보조 시스템이 왜 종종 적층 제조 적용의 진입점으로 활용되는지를 잘 보여줍니다. 이러한 시스템은 일반적으로 규제 측면에서 관리하기가 더 용이할 뿐만 아니라, 플랜트 운영에 있어서도 매우 중요한 역할을 합니다. 또한 적층 제조가 어떻게 보다 유연한 유지보수 및 수리 주기를 뒷받침할 수 있는지도 명확해집니다. 희귀한 예비 부품이나 복잡하고 취약한 공급망에 의존하는 대신, 필요에 따라 인증된 부품을 생산할 수 있는 능력이 현실로 한 걸음 더 가까워지고 있습니다.

안전 관련 응용 분야 및 성능: 적층 제조(AM)가 단순히 대체하는 것을 넘어 성능을 향상시킬 때

부품의 공급 안정성을 확보하는 것 외에도, 적층 제조는 원자력 분야에서 또 다른 중요한 잠재력을 제시합니다. 바로 안전과 관련된 기능을 목표에 맞춰 개선할 수 있다는 점입니다. 기계 가공이나 주조와 같은 기존 공정과 달리, 적층 제조로 제작된 부품은 금속 또는 고분자 분말을 직접 사용하여 제작됩니다. 공구나 금형 없이도 복잡한 형상을 구현할 수 있어, 설계의 자유도가 크게 확대되고 부품을 근본적으로 재고할 수 있게 됩니다.

핵연료 집합체 냉각 과정에서 잘 알려진 위험 요소 중 하나는 이른바 ‘누출 문제’로, 냉각수 회로 내의 아주 미세한 입자조차도 시간이 지남에 따라 점진적인 마모를 유발하고, 극단적인 경우에는 연료봉 손상으로 이어질 수 있습니다. 누출은 냉각수 회로 내의 미세한 이물질이 연료봉을 마모시켜 우라늄 펠릿을 노출시킬 때 발생하며, 단 5 mm 길이의 철사 한 가닥만으로도 이러한 고장을 일으키기에 충분할 수 있습니다. 비록 빈번하게 발생하는 문제는 아니지만, 이 위험을 완화하는 것은 매우 중요합니다. 전통적으로, 더 효과적인 여과를 위해서는 더 높은 압력 강하를 감수해야 했으며, 이는 발전소 전체의 효율을 저하시켰습니다.³

기하학적으로 최적화된 적층 제조 부품은 이러한 과제를 직접 해결합니다. 유동 유도 방식의 조정, 통합 필터 기능, 또는 기능성 부품 설계는 위험을 줄이고 운영 안전성을 높일 수 있습니다. 잘 알려진 예로 웨스팅하우스(Westinghouse)가 개발한 비등수형 원자로용 ‘스트롱홀드(Stronghold) AM’ 필터가 있습니다. 적층 제조 기술을 활용하여 복잡하고 구불구불한 내부 유로를 형성함으로써, 효율이 낮은 기존 설계와 비슷한 압력 수준을 유지하면서도 5mm 크기의 이물질을 효과적으로 여과할 수 있게 하여, 적층 제조가 안전성과 성능 요건을 어떻게 조화시킬 수 있는지 보여줍니다.

다양한 유형의 반응기에서, 목적에 맞춘 기하학적 설계 변경을 통해 이물질 제거 효율 향상이나 추가적인 압력 손실 없이 성능을 높이는 등 가시적인 개선 효과를 거두었습니다. 가장 중요한 것은 개별 구성 요소가 아니라 그 기반이 되는 원리입니다. 즉, 설계의 유연성과 기능 통합을 통해 새로운 차원의 성능을 달성할 수 있지만, 이를 위해서는 초기 단계부터 적합성 검증 및 검사 가능성을 일관되게 고려해야 합니다.

AM은 또한 복잡한 내압 부품 분야에도 새로운 기회를 열어줍니다. 유동 최적화 채널, 효율적인 열전달 및 다양한 형상을 갖춘 적층 제조 내압 부품은 높은 기계적 요구 사항을 충족하면서도 성능을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 이러한 응용 사례는 적층 제조의 장점과 원자력 인증 요건의 현실을 결합하여, 인증된 AM 솔루션의 산업화에 대한 견고한 전망을 제시합니다. 원자력 산업은 정의된 표준 및 규제 체계 내에서 엄격하게 운영되므로, 이러한 부품의 도입을 가능하게 하려면 조화된 지침이 필수적입니다. 이러한 맥락에서 중요한 발전 중 하나는 곧 제정될 EN 13445-14 표준으로, 이 표준은 적층 제조된 압력 용기 장비에 대한 관련 프레임워크를 제공하고 추가적인 산업화를 뒷받침할 것입니다.

적층 제조는 단순한 제조 도구가 아닌, 초기 엔지니어링의 원동력

원자력 분야에서 적층 제조(AM)가 미치는 영향은 부품이나 시스템의 수명 주기 중 어느 시점에 도입되느냐에 따라 크게 달라집니다. 만약 AM이 최종 단계에서만 대체 제조 방식으로 적용된다면, 그 기여도는 가용성 향상과 리드타임 단축에 주로 국한됩니다. 반면 AM을 더 이른 단계, 즉 엔지니어링 및 설계 단계에서 도입할 경우, 부품의 구상, 검증, 발전 방식에 근본적인 영향을 미칠 수 있습니다.

특히 수명 주기 후반부의 설계 변경이 비용이 많이 들고 정당화하기 어려운 원자력 분야의 경우, 초기 설계 결정이 미치는 영향은 그 어느 때보다 크다. 적층 제조(AM)를 통해 엔지니어들은 신속한 반복 설계와 물리적 검증을 바탕으로, 훨씬 더 초기 단계에서 기능 통합, 최적화된 유동 경로, 재료 절감, 재료 선정 또는 재료 효율이 높은 형상 등을 탐구할 수 있다. 그 결과, 엔지니어링 결정은 데이터에 기반하게 되며, 기존의 제조 방식에 대한 가정으로 인한 제약도 줄어든다.

이러한 변화는 차세대 원자로 개념에 특히 중요한 의미를 지니지만, 기존 발전소의 현대화에도 적용됩니다. 적층 제조(AM)를 활용한 엔지니어링을 초기 단계부터 도입하면, 혁신은 단순히 시제품 제작 속도에만 의존하는 것이 아니라, 이미 인증, 검사 및 추적성 요건을 고려한 상태에서 부품을 종합적으로 재고할 수 있는 능력에 기반을 두게 됩니다. 이러한 방식으로 적층 제조는 생산이 시작되기 훨씬 전부터 개발 경로를 형성하는 엔지니어링의 원동력이 됩니다.

차세대 원자로: AM이 안전성을 저해하지 않으면서 혁신의 자유를 확대하는 이유

기존 원자력 발전 설비의 안전 확보와 더불어, 개발 노력은 소형 모듈형 원자로(SMR) 및 4세대 원자로 개념에 점점 더 집중되고 있습니다. 이러한 설계는 일반적으로 높은 수준의 시스템 통합, 콤팩트한 레이아웃, 간소화된 보조 설비 구조, 그리고 첨단 냉각 및 재료 개념을 추구합니다. 적층 제조(AM)는 기존 제조 방식으로는 구현하기 어렵거나 비실용적인 고도로 통합된 부품, 소형 어셈블리, 복잡한 내부 형상을 조기에 평가할 수 있게 함으로써 이러한 목표를 뒷받침할 수 있을 뿐만 아니라, 더 민첩하고 회복탄력성이 뛰어난 미래 공급망을 염두에 두고 제품을 설계할 수 있게 하여 속도와 부품 가용성을 향상시킵니다. 그럼에도 불구하고 기대치는 현실적이어야 합니다. SMR 및 4세대 원자로의 개발 주기는 광범위한 분석, 시험 및 인증 절차에 의해 결정되며, 규제 요건을 우회한다고 해서 단축될 수는 없습니다. 그러나 AM은 초기 연구 및 개념 단계의 효율성을 크게 높일 수 있습니다. 신속한 시제품 제작, 기능성 시연 모델, 형상 기반의 반복 설계를 통해 유동 거동, 열 성능 또는 기능 통합과 같은 설계 가정을 개발 과정의 훨씬 더 초기 단계에서 검증할 수 있습니다.

이는 자격 인증의 핵심적인 역할을 다시 한번 강조해 줍니다. 소형 모듈형 원자로(SMR) 및 첨단 원자로 개념을 위한 적층 제조 설계가 초기 단계부터 시험 가능성, 공정 안정성, 검사 가능성, 증거 확보와 조화를 이룰 때, 혁신은 규제 대비와 병행하여 진전될 수 있습니다. 이러한 방식으로 적층 제조는 안전 여유를 축소하지 않고, 차세대 원자력 시스템의 엄격한 안전 및 자격 인증 요건과 완벽하게 호환되는 틀 안에서 공학적 자유도를 확대합니다.

결론: 원자력 분야의 AM – 야심과 실현 가능성 사이

결국 적층 제조는 원자력 산업이 직면한 실질적인 과제들, 즉 노후화, 예비 부품 확보 문제, 유지보수 부담, 그리고 안전과 관련된 성능 개선 요구에 대응합니다. 동시에, 새로운 설계 접근 방식과 첨단 제조 역량이 점점 더 중요한 역할을 담당하고 있는 소형 모듈형 원자로(SMR) 및 4세대 원자로 시스템과 같은 신개념 원자로 분야에서 효율성을 한층 더 높이고 혁신을 이끌어낼 잠재력을 제공합니다.

다행스러운 점은, 자격 요건이 까다롭기는 하지만, AM을 전략적으로, 단계적으로, 데이터 기반의 방식으로, 그리고 규제 및 운영 측면에서 모두 현실적인 적용 분야를 중심으로 도입한다면 충분히 감당할 수 있다는 것입니다. 이러한 접근 방식은 지속적인 표준화 및 법제화 노력을 통해 더욱 뒷받침되고 있으며, 이를 통해 산업계 도입을 위한 보다 명확한 틀이 지속적으로 마련되고 있습니다.

결국, 적층 제조는 원자력 산업이 직면한 실질적인 과제들, 즉 노후화, 예비 부품 확보 문제, 유지보수 부담, 그리고 안전과 관련된 성능 개선 요구에 해답을 제시합니다.

저자: 폴라 카이누, 에너지 부문 매니저

---

¹https://www.lesechos.fr/industrie-services/energie-environnement/nucleaire-quel-age-ont-nos-centrales-1140104
² https://www.equinor.com/magazine/3d-printing
³neimagazine.com/news/3d-printed-nuclear-fuel-parts-tested-in-alabama-power-plant/ 및 https://www.eos.info/content/blog/2026/how-am-is-re-energizing-the-worlds-power-grids