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ITER

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202007.01

거대한 인공태양 조립할 특수장비 완성됐다!

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/iter/1132

"한국 기술로 100% 완성된 44종의 ITER 조립장비"


ITER 국제기구는 국제핵융합실험로(ITER)의 주장치 조립을 책임질 조립장비(Assembly Tooling) 44종이 조달 완료됨에 따라 2025년 완공을 향한 힘찬 카운트다운에 들어갑니다. ITER 국제기구는 2020년 하반기 ITER 주장치 조립을 본격적으로 추진할 계획인데요. 서 말 구슬도 꿰려면 실과 바늘이 필요하듯 진공용기(Vacuum Vessel), 초전도자석(TF, PF, CC, CS 초전도자석 등), 열차폐체(Thermal Shield)와 같은 수만 개로 나눠 제작된 ITER 토카막 주장치의 주요 구성품을 한 치의 오차 없이 하나로 이어줄 조립장비야 말로 ITER 성공의 열쇠라 해도 과언이 아닙니다.

 

ITER 한국사업단은 지난 6월 28일 섹터인양장비와 CS자석인양장비의 출하를 마지막으로 ITER 조립장비 44종의 설계부터 제작, 검증시험, 출하에 이르는 모든 과정을 완수하는 대역사를 이루었습니다. 2009년 ITER 국제기구와 주장치 조립을 위한 조립장비의 설계, 제작, 시험, 운송, 현지 설치 및 시운전 지원 등에 이르는 조달 관련 업무 전반을 수행하는 협정을 체결한 지 꼭 11년 만입니다.

 

ITER 조립장비 조달 완료에 맞춰 올 하반기 ITER 토카막 조립이 본격화 된다. <사진 출처 =ITER>
ITER 조립장비 조달 완료에 맞춰 올 하반기 ITER 토카막 조립이 본격화 된다. <사진 출처 =ITER>

 


| 5대 조립장비를 통해 미리 보는 ITER 주장치 제작 현장

 

“ITER 장치는 높이와 너비가 약 25m, 무게가 2만 3천톤에 달하는 세상에서 가장 큰 인공태양이자 첨단·극한 기술의 각축장입니다. 도넛 모양의 토카막 장치인 ITER는 전체 360°도 모양을 40°씩 9조각으로 나누어, 주요장치들을 7개 회원국이 각각 제작한 후 다시 ITER 건설지인 프랑스 카다라쉬에서 하나로 조립하는데요. 수직·수평 방향으로 ±1~2㎜ 정도의 조립 오차만 허용될 정도로 조립의 엄격함이 요구되기에 이 같은 조건을 충족할 특별한 조립장비가 필요합니다.”

 

지난 11년간 ITER 조립장비 개발의 시작과 끝을 함께한 ITER 한국사업단 남경오 팀장이 소개하는 ITER 조립장비의 기본요건입니다. 한국은 ITER 주장치 조립을 수행할 섹터부조립장비(SSAT: Sector Sub-assembly Tool), 섹터인양장비(SLT: Sector Lifting Tool), CS자석 인양프레임(CS Lifting Frame), 직립화장비(UP: Upending Tool), 중앙지지구조물(CC: Central Column) 등 44종의 조립장비를 개발했습니다. 이들 조립장비는 ITER 주장치 조립단계에 따라 순차적으로 활약하는데요. 대표적인 다섯 장비의 활약을 살펴보면 ITER 주 장치 건설의 과정도 엿볼 수 있습니다.

 

ITER 주장치 조립을 위한 5대 주요 조립장비
ITER 주장치 조립을 위한 5대 주요 조립장비

 

현재 ITER 건설지에는 한국에서 제작한 열차폐체 6번 섹터 등을 비롯해 초전도자석과 같은 대형 조달품들이 인수검사를 마치고 대기 중입니다. 이들 거대구조물은 바닷길과 육로를 오가는 여정 동안 안전을 위해 수평으로 눕힌 상태로 운반되는데요. 먼저 직립화장비(UT)는 누워있는 대형 토카막 장치들을 조립이 가능한 자세로 일으켜 세우는 역할을 합니다.

 

이후 세워진 대형 토카막 장치들은 섹터부조립장비(SSAT)로 이동합니다. ITER 토카막은 진공용기, 열차폐체 그리고 TF초전도자석 2개가 결합한 40° 섹터 9개가 결합해야 비로소 완성됩니다. 1개 섹터에 들어가는 진공용기의 무게만 440톤에 달하고 TF초전도자석 한 개의 무게만도 310톤이 넘습니다. 섹터부조립장비는 토카막 핵심 장치들을 ±1 ㎜ 조립공차 내에서 조립하고 지지하는 초대형 정밀조립장비로 중량 900톤, 높이는 아파트 9층 높이와 맞먹는 약 23m의 위용을 자랑합니다. 섹터부조립장비는 한국에서 정밀조립 검증시험을 마쳤으며, ITER 건설지로 운송되어 현장에서 재조립 및 360톤 하중을 이용한 조립 시험도 성공적으로 마쳤습니다.

 

 ITER 섹터부조립장비 SSAT가 궁금하다면?

 ☞ 'ITER 작'

 

직립화장비(좌)와 섹터부조립장비(우)의 모습 <사진 출처 =ITER>
직립화장비(좌)와 섹터부조립장비(우)의 모습 <사진 출처 =ITER>

 

이제 섹터인양장비(STL)가 활약할 순서입니다. 진공용기, TF초전도자석 그리고 열차폐체로 구성된 40° 한 섹터의 무게는 무려 1,250톤에 달합니다. 기존의 크레인 후크(Hook)로는 운반이 불가능하기 때문에 섹터인양장비의 힘을 빌려 ITER의 심장을 만드는 토카막 빌딩으로 이동합니다. 40° 섹터를 토카막 위치에 안전하게 배치하는 것 역시 1㎜ 이내의 정교한 이동과 조립이 요구되죠. 이처럼 엄청난 무게의 구조물을 정교하고 안전하게 움직이는 조립장비들은 그 중량을 이길 수 있을 만큼 견고해야 할 텐데요. 이를 검증하기 위해 섹터인양장비는 지난 2월에 1,250톤에 달하는 40° 섹터 무게의 1.5배가 넘는 2,000톤 하중시험을 성공적으로 통과했습니다.

 

완성된 40° 섹터가 당도한 토카막 빌딩 중앙에는 큰 기둥 형태의 중앙지지구조물(CC)이 있습니다. 9개의 섹터들은 중앙지지구조물에 지지되어 360° 도넛 모양으로 연결됩니다. 중앙지지구조물은 1,250톤 섹터 9개의 중량인 1만 1,250톤을 견딜 수 있어야 합니다. 40° 섹터 9조각이 도넛 모양으로 조립되면 중앙지지구조물은 해체되고 그 자리에 1,100톤 중량의 CS초전도자석이 들이 들어옵니다. CS초전도자석은 플라즈마를 가두는 자기장 그물을 만드는 임무를 수행하는 핵심 부품인데요. CS자석인양프레임이 1,100톤 중량의 CS자석 구조물을 들어 올려 도넛 안쪽으로 집어넣으면 비로소 토카막 장치는 제 모습을 갖추게 됩니다. CS인양프레임 역시 실하중 1,100톤의 2배인 2,200톤 인양능력을 갖도록 설계되었으며, 지난 3월에 실하중의 1.5배에 달하는 1,650톤 하중시험을 마쳤습니다.


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위에서부터 섹터인양장비와 중앙지지구조물(좌), CS자석 인양프레임(우)의 실제 사진
위에서부터 섹터인양장비와 중앙지지구조물(좌), CS자석 인양프레임(우)의 실제 사진

 

 

| 설계부터 제작, 검증까지 100% 완성한 11년의 대역사

 

“한국은 인공태양 KSTAR를 핵융합 역사상 최단 시간 내 가장 정밀하게 제작하고 조립한 경험이 있습니다. 또 KSTAR는 완공 후 첫 플라즈마 발생 실험을 단 한 번에 성공시킨 유일무이한 기록을 갖고 있으며, 이런 경험을 토대로 ITER 주장치 조립장치를 우리나라가 조달하게 됐습니다.”

 

남경오 팀장의 설명에 따르면 조립장비는 다양한 대형, 고중량 장치들을 제한된 공간 내에서 정밀하게 조립해야 하는 기술요건으로 인해 까다로운 설계와 제작 및 검증 절차가 요구됩니다. 이 때문에 ITER는 KSTAR를 통해 기술력을 검증받은 한국의 저력을 높게 평가했습니다.

 

 지난 11년간 ITER 주장치 조립장치 조달 업무를 추진해 온 남경오 팀장. 지난 11년간 ITER 주장치 조립장치 조달 업무를 추진해 온 남경오 팀장.


 

KSTAR를 건설하고 운영하며 경험과 노하우를 축적한 한국이지만, ITER 조립장비는 새로운 차원의 도전을 요구했습니다. ITER는 KSTAR와 모습은 비슷하지만, 규모가 커짐에 따라 설계와 검증과정에서 해결해야 할 난제도 몇 배가 증가했습니다. 까다롭기로 유명한 프랑스의 설계 및 검증 기준을 충족해야 하는 것은 기본입니다. 그뿐만 아니라 7개 회원국 모두가 합의한 방법으로 프로젝트가 진행되기에 공정은 예상보다 더뎠습니다. 하지만 가장 큰 난관은 따로 있었다는데요. 남경오 팀장의 이야기를 들어 볼까요?

 

“2009년 조달 계약을 체결하고 2011년 중간설계를 완성하기까지 ITER 주장치를 조달하는 회원국 및 ITER 국제기구와 수차례 협의를 통해 설계변경이 있었습니다. 하지만 최종설계 시작을 앞두고 더 큰 문제에 봉착했는데요. 바로 조립장비가 인양, 지지하고 이동시켜 조립할 대상물인 토카막 장치에 대한 설계가 계속해서 변경되고 있다는 점이었습니다. 즉, 조립대상물이 확정되지 않은 상태에서 조립장비를 설계하고 확정해야 하는 상황이었습니다.”

 

최종설계는 제작착수를 위한 기본정보가 되는 만큼 조립대상물의 중량, 소재, 형상 등과 같은 완벽한 배경 데이터가 있어야 합니다. 더더욱 공차 1~2㎜ 이내의 엄밀한 조립을 위해서는 조립대상물에 대한 완벽한 정보가 필요하죠. 하지만 ITER 7개 회원국들이 나누어 조달하는 핵심장치는 설계변경이 수없이 이뤄지고 있었는데요. 그렇다고 이들 주장치의 설계가 완성되기까지 무작정 기다릴 수도 없었습니다.

 

 6월 한국에서 ITER로 출하된 진공용기 섹터6. <사진출처 =ITER> 6월 한국에서 ITER로 출하된 진공용기 섹터6. <사진출처 =ITER>


 

남경오 팀장은 “애초 ITER와의 조달약정은 총 128종의 토카막 조립장비를 설계, 제작하는 것이었지만, 결국 최종설계 확정이 가능한 44종만 조달하는 것으로 협약변경이 이루어졌다.”라고 설명합니다. 조달 품목은 128종에서 44종으로 줄었지만, ITER 주장치 조립을 위한 핵심 5대 조립장비는 한국의 조달범위에 그대로 포함되었습니다.

 

우여곡절 끝에 최종설계를 마친 ITER 한국사업단은 제작에 착수했는데요. ITER가 요구하는 완성도는 완결무결 그 자체였습니다. 국가핵융합연구소와 세 곳의 참여기업 SFA, 유진엠에스, 일진기계가 힘을 모은 결과 우리나라는 ITER 주장치 조립을 위한 조립장비 설계, 제작 및 검증기술을 확보했습니다. 이는 앞으로 상용 핵융합 발전소 건설의 기반이 될 소중한 자산입니다.

 

 

| 진공용기 섹터 6번과 조립장비의 만남, 이제부터 진짜 토카막이다

 

44종의 조립장비는 ITER 국제기구의 인수검사를 마치면 6월에 우리나라에서 조달된 진공용기 섹터 6번 및 열차폐체와 함께 올 하반기 ITER의 심장 토카막 조립을 시작합니다. 이는 인류의 에너지 문제 해결을 나선 국제적 협력 프로젝트가 본궤도에 오름을 의미합니다. ITER 한국사업단 조립장비기술팀의 미션은 아직 끝나지 않습니다. 조립장비 설계부터 제작까지 11년을 수행하며 장비를 가장 잘 알고 있는 사람도 바로 그들이기 때문입니다.

 

남경오 팀장과 배선호 선임이 포즈를 취하고 있다. 

 

매주 제작 현장인 김해와 울산에 머무는 시간이 더 많았다고 하는 배진호 선임은 다음과 같이 소감을 전했습니다. “조립장비를 포장하고 프랑스로의 운송을 확인하니 다 키운 자녀를 떠나보내는 부모의 마음이 이런 건가 싶습니다. 한편으로 홀가분하면서도 좀 더 잘할 수 있지 않았을까 하는 아쉬움이 들기도 하고, 성취감과 보람을 느끼다가도 또 걱정이 앞섭니다. 이런 복잡한 감정들을 뒤로하고 운송은 완료했지만, ITER 장치의 조립은 이제 시작이기에 보낸 장비들이 사용되기 전까지 다시 한번 중요 과정들과 설계 자료들을 정리해둬야겠다는 각오를 해봅니다.”

 

일당백으로 이 거대 프로젝트를 완성한 ITER 한국사업단 조립장비기술팀 남경오 팀장과 배진호 선임은 앞으로도 ITER 주장치 조립과정 참여하여 아낌없이 노하우를 전달할 계획입니다. 또한, ITER 건설현장에서는 토카막 조립을 총괄하고 있는 최창호 박사를 비롯해 모든 조립장비를 총괄, 운용하고 있는 양형렬 박사 등 한국의 맨파워와 리더십이 어느 때보다 빛날 것입니다.

 

2025년 완공을 향해 달려가는 ITER의 시계처럼 핵융합에너지 상용화 기술 확보에 헌신해온 한국의 핵융합연구자들의 힘찬 도전이 핵융합에너지의 불을 환히 빛내길 기대합니다.

 

토카막 핵심장비와 조립장비가 속속 ITER 건설현장에 도착하자 2025년을 향한 도전은 보다 가시화 되고 있다. 토카막 핵심장비와 조립장비가 속속 ITER 건설현장에 도착하자 2025년을 향한 도전은 보다 가시화되고 있다. <사진 출처 = ITER>

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