650℃ 초고온 환경, 국내 최초 HTGR 헬리컬 튜브 구조건전성 평가 기술에 도전하다

태성에스엔이 TS4팀이 준비해온 [고온가스로 증기발생기 설계·제작 및 계통 성능평가 기술 개발] 과제가 2026년도 선진원자로산업기술연구조합 연구개발과제로 최종 선정되었습니다.

동화엔텍, 경희대학교, 태성에스엔이는 컨소시엄을 구성하여 차세대 원자로(HTGR) 핵심 기기인 헬리컬 증기발생기(HCSG)의 설계·제작·평가 요소기술 국산화에 본격 착수합니다. 특히 650℃ 이상의 초고온 환경에서 운용되는 헬리컬 튜브의 구조건전성 평가를 담당하며, 국내에 아직 선례가 없는 영역에서 평가 기준과 방법론을 직접 정립해 나갈 예정입니다. 또한 태성에스엔이에서 공급 중인 Flownex를 계통 해석 도구로 활용함으로써, 원자력 분야에서의 실제 적용 레퍼런스 확보에도 의미 있는 성과를 기대하고 있습니다. 이번 과제를 통해 대한민국 고온가스로 원자력 분야의 설계·해석 및 인허가 프로세스 구축에 기여하며, 국내 기술 경쟁력 강화의 기반을 마련한다는 점에서 큰 의미를 갖습니다.

이에 태성에스엔이 TS4팀 김교순 팀장을 만나, 과제의 기술적 의미와 향후 기대 효과에 대한 자세한 이야기를 들어보았습니다.

1. 간단한 자기소개 부탁드립니다.

안녕하십니까. 태성에스엔이 TS4팀을 이끌고 있는 김교순 팀장입니다.

저희 TS4팀은 제철·조선·중공업·원자력·플랜트 산업을 중심으로, Ansys Fluent(유동)와 Mechanical(구조) 소프트웨어의 기술지원과 엔지니어링 기술용역을 수행하고 있습니다. 단순한 해석 수행을 넘어, 고객사의 설계 의사결정을 데이터로 뒷받침하는 파트너 역할을 핵심 가치로 삼고 있습니다.

2. 이번 「고온가스로 증기발생기 설계·제작 및 계통 성능평가 기술 개발」 과제가 선정된 의미와, 국내 원자력 산업에서 갖는 중요성은 무엇인가요?

이번 과제는 차세대 원자로 시장에서 주목받고 있는 고온가스로(HTGR, High Temperature Gas-cooled Reactor)의 핵심 기기인 헬리컬 증기발생기(HCSG)의 설계·제작·평가 요소기술을 국내 산·학 협력으로 확보한다는 점에서 매우 의미 있는 도전입니다.

국내 원자력 산업 측면에서 의미는 크게 세 가지로 정리할 수 있습니다.

첫째, 민관합작 고온가스로 개발 과제(HECTAR)와 직접 연계되어, 무탄소 공정열 기대를 위한 산업 공정열 활용형 차세대 원자력 시스템 구현의 기술적 기반이 됩니다.

둘째, 국내에 부족했던 초고온·고압 환경 대응 설계·해석·평가 기술을 체계적으로 축적해 나가는 중요한 출발점이 될 것입니다.

셋째, 동화엔텍의 설계·제작 경험, 경희대학교의 열수력·계통 해석 역량, 태성에스엔이의 CAE 기반 구조해석 기술이 유기적으로 결합되어 ‘설계–해석–제작–평가’가 선순환하는 산학 협력 체계를 구축합니다.

3. X-energy 등 글로벌 기업들이 차세대 SMR 시장을 선도하고 있는 가운데, 국내 기술 수준과 이번 과제가 갖는 의미는 무엇이라고 보십니까?

X-energy의 Xe-100 등 HTGR 기반 SMR(소형모듈원자로) 글로벌 선도 기업들이 차세대 원자로 시장을 빠르게 선점해 가고 있는 가운데, 국내는 HCSG 상세 설계·제작·평가 요소기술 측면에서 아직 기술 축적의 초기 단계에 있습니다.

이번 과제는 이러한 기술 공백을 동화엔텍, 경희대학교와의 협력을 통해 해소하고 국내 산업계 주도의 차세대 원자력 기술 기반과 실질적인 엔지니어링 역량을 축적해 나간다는 점에서 의미가 큽니다.

4. 당사가 수행하는 650℃ 이상 초고온 헬리컬 튜브 구조건전성 평가는 어떤 기술적 난이도를 가지며, 이를 해결하기 위해 Flownex 등 CAE 기반 해석을 어떻게 활용하고 있습니까?

650℃ 이상의 초고온·315 bar 수준의 고압 환경은 기존 경수로(약 324℃) 대비 Creep(크리프) 및 Thermal Fatigue(열피로) 손상이 지배적으로 작용하는 극한 영역입니다. 특히 2차측에서는 565℃의 고온 과열증기가 생산되는 조건이기에 헬리컬 튜브의 곡률·피치 제작오차, 튜브-튜브시트 접합부, 지지 구조 접촉부 등 국부 영역에서의 응력 집중과 반복 하중 거동을 정량적으로 평가하는 것이 핵심 기술 과제입니다.

이를 위해 TS4팀은 아래와 같은 CAE 기반 해석 전략을 적용합니다.

•       미국 NRC(원자력규제위원회) 인증 Ansys를 활용한 Alloy 800/800H 비선형 거동 정밀 해석

•       Thermal-Structural 연성해석으로 정상운전·과도·사고 시나리오별 응력·변형 분포 및 취약부 도출

•       Ansys Granta Selector를 활용한 온도 의존 크리프·저사이클 피로 특성 등 재료 DB 체계적 구축

또한 핵심 해석 도구인 Ansys와 Flownex 모두 원자력 품질보증 기준(ASME NQA-1)에 부합하도록 개발·관리되는 검증된 소프트웨어이며, 두 시스템 간 데이터 연계를 통해 해석 신뢰도와 효율성을 동시에 확보하고 있습니다.

이를 통해 네 가지의 핵심 기술 자산을 확보할 것으로 기대됩니다.

① ASME 설계코드 기반 헬리컬 튜브 구조 건전성 평가 기준

② Alloy 800/800H(Incoloy 800H) 등 고온 합금 재료 데이터베이스

③ Creep/열피로 기초 수명평가 및 안전계수 산정 절차

④ HCSG 기초 구조 건전성 평가 절차서 확보

5. 이번 프로젝트가 국내 원자력 인허가 프로세스 정립에 어떤 기여를 하게 되며, 향후 SMR 및 차세대 원자로 사업으로의 확장 가능성은 어떻게 보십니까?

 본 과제에서 도출되는 HCSG 기초 구조 건전성 평가 절차서는 해석 모델 구축 방법, 재료 DB, 평가 항목 및 판정 기준을 체계적으로 정리한 기술 자산입니다. 향후 국내 선진 원자로의 인허가 대응 시 핵심 참고 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대합니다.

 확장 가능성 측면에서 본 과제의 헬리컬 튜브 설계·해석·평가 기술은 다양한 분야로 이어질 수 있습니다.

•       차세대 원자력: i-SMR 증기발생기, 수동 잔열제거계통, 해양 원자로용 증기발생기

•       산업 응용: LNG 극저온 대형 열교환기, 석유화학, CCUS 열회수 시스템

본 과제가 단순한 연구를 넘어 태성에스엔이가 차세대 에너지 산업 분야의 핵심 해석·평가 파트너로 성장해 나가는 의미 있는 기반이 되기를 기대하고 있습니다.