원자력발전소 각종 탱크와 Sump내 슬러지 제거용 로봇 및 처리장비 개발 [上]

“슬러지 제거용 로봇은 어떻게 만들까”

전력산업연구개발사업으로 (주)한국원자력엔지니어링이 수행한 ‘원자력발전소 각종 탱크와 Sump내 슬러지 제거용 로봇 및 처리장비 개발’에 관한 연구개발사업이 지난 2010년 완료됐다. 이 사업의 최종보고서에는 이와 관련한 국내외 기술개발 현황을 살펴본 내용과 함께 로봇의 개발과정이 포함되어 있어 눈길을 끌고 있는데, 본지에서는 로봇에 초점을 맞춰 발췌한 내용을 소개하도록 하겠다.

해외의 슬러지 제거용 로봇
▶ Houdini
고방사성 폐기물 및 석유화학 탱크 내에서 원격으로 슬러지 제거작업을 목적으로 Garnegie Mellon 대학에서 개발됐으며, 최소 61cm의 인입구에 투입이 가능하며 탱크 내부에서 그 형상이 펼쳐질 수 있도록 되어 있다. 다관절 조작기와 쟁기형태의 툴을 가지고 있으며 유압구동 방식을 사용한다.

▶ Mobile tank-internal spray gun
수동으로 투입되며 유압구동으로 프레임이 펼쳐질 수 있도록 되어 있다. 스프레이를 통해 용해제 등을 분사할 수 있으며, 별도 펌프를 통해 슬러지를 흡입할 수 있다.

▶ Explosion-proof Sludge-bug Robot
방폭형 조명과 카메라가 장착되어 작업자 투입없이 원격작업이 가능하나 큰 인입구가 요구되며, 쟁기를 이용하여 슬러지를 모으는 작업이 가능하도록 되어 있다.

▶ Tracked Pump
스틸 체인에 고무를 부착한 2개의 트랙 중간에 펌프를 설치하여 탱크 내부 내용물을 흡입하는 기능을 가지고 있다.

▶ Liquid Waste Technology사 제품
바퀴에 궤도를 장착하고 전방에 쟁기 형태의 툴을 이용하여 슬러지를 모을 수 있으며, 흡입구를 통해 슬러지를 외부로 배출할 수 있도록 되어 있다.

▶ Disposable crawler
Inuktun사의 방수 트랙 4개에 스프레이건을 부착하여 슬러지를 청소할 수 있도록 되어 있다.

▶ Remotely controlled Tool Carrier
ZTS Inmart Atom사에서 A-1 원자력발전소의 방사성 폐기물을 제거하기 위해 개발되었으며, 스테인리스 스틸로 제작된 4개의 휠들이 독립구동 가능하고 삽을 이용하여 자갈 등을 퍼낼 수 있도록 되어 있고, 자체 펌프를 내장하고 있다.

▶ Scarab Ⅲ
ROV Technologies사에서 개발됐으며 수중 또는 수인치 깊이의 방사성 폐기물 속에서 동작할 수 있으며 탱크 내부에서 시료 채취를 목적으로 개발되었다. 최대 20cm의 턱을 등판할 수 있으며 약 2kg의 물체를 집을 수 있는 매니퓰레이터가 장착되어 있다.

▶ Remote Controlled Sludge Removal System
1992년 등록된 미국특허(US 5,138,741)로서 오일 슬러지를 제거할 수 있는 트랙형 이동 장비다. 유압구동방식으로 슬러지를 절단할 수 있는 도구가 부착되어 있다.

▶ Segmented Link Robot For Waste Removal
2004년 등록된 미국특허(US 6,682,287, Framatome ANP)로서 탱크 내의 슬러지 제거를 위해 여러 개의 링크로 구성된 매니퓰레이터 형태다.
매니퓰레이터의 끝에 도구를 부착해 슬러지의 분쇄 및 흡입 등을 할 수 있는 구조다.

슬러지 제거 로봇, 국내기술은?
국내의 경우 저장조의 슬러지 제거용 로봇 개발 연구가 없으며, 식수 탱크 청소 등을 위해 간단한 형태의 로봇이 일부 수입되어 사용하고 있는 실정으로 슬러지 제거 로봇 및 처리장비는 없는 실정이다.

▶ 현 기술상태의 취약성
현재 개발된 고중량의 슬러지 제거 로봇은 유압을 주로 사용하고 있어서 슬러지 제거 능력은 높으나 탱크 진/출입 등의 취급이 용이하지 않으며 작업 중 유압부품의 누유 등이 문제가 되고 있다. 취급이 용이한 저중량의 슬러지 제거 로봇은 그 기능이 단순하고 슬러지 제거 능력이 낮아 활용성이 떨어진다. 특히, 대부분 바닥이 평면인 경우에만 적용 가능하기 때문에 구면 또는 원통면 바닥의 경우에는 이동성이 떨어진다. 또한 슬러지 분리/건조 등의 슬러지 처리 장치와 별도로 개발되었기 때문에 슬러지 처리 장치와의 연동 운영성이 떨어진다.

▶ 연구개발 시 예상되는 파급효과

① 기술적 측면
원자력발전소의 1, 2차측 각종 탱크와 배수로, Sump내 고용존 물질이나 슬러지를 효율적으로 제거하여 처리할 수 있는 로봇과 처리장비 개발 기술을 확보함으로써 원자력발전소에서 바로 사용할 수 있는 설비의 제작이 가능하고, 원격 제어가 가능한 로봇기술은 방사선 준위가 높은 지역의 감시와 작업이 필요할 때 이를 응용하여 사용 가능하다. 슬러지 처리기술은 오염 확산 가능성이 있거나 습분은 함유하고 있는 방사성 물질을 처리하는데 기술 활용이 기대된다.

② 산업·경제적 측면
개발기술을 활용하여 원자력발전소의 1, 2차측 탱크와 배수로, Sump내 고용존 물질이나 슬러지를 제거하면 관련 설비의 운전시간을 단축할 수 있어 발전소 운영 효율성을 높여 경제적 비용절감을 기대할 수 있다.

③ 정책적 측면
액체방사성폐기물관리의 효율성을 높임으로써 원자력발전소의 방사선 관리에 대한 대국민 신뢰도 향상으로 원자력 발전에 대한 정책 수립 및 결정에 긍정적 영향을 기대할 수 있다.

▶ 활용방안
기본적으로 원자력발전소의 1·2차측 각종 탱크와 배수로, Sump 내 슬러지를 제거하는 목적으로 로봇 및 관련 처리설비 개발을 추진하게 되나 원자력발전소의 작업지역에 대한 접근성 및 작업환경 등을 고려할 경우 일반인의 출입이 불가능한 지역에서의 각종 이물질 제거에도 충분히 활용이 가능할 것으로 판단된다. 우선 로봇은 작업의 특성상 적정 내압성 및 방수성능을 유지해야 하며 고압수 분사장치를 장착하여 현장으로의 이동이 용이토록 개발될 것이므로 타 산업분야 중화학산업, 유화관련 산업 등 일반인의 출입이 불가능한 작업장 내에서의 다양한 작업수행이 가능할 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 일반 대단지 공동주택의 대형 생활수 탱크 내 작업은 물론 대형 하수관로 내에서의 작업 또한 충분히 활용 가능할 것으로 기대된다.

슬러지 제거용 로봇 개발 과정
1. 슬러지 로봇 사양 도출

▶ 원자력발전소 내 탱크 또는 Sump 주변 슬러지 제거환경 조사
Sump의 경우 인입경이 매우 작고 내부에는 각종 배관들이 복잡하게 설치되어 있음을 확인했고, 로봇 투입구의 최소 인입경을 30cm로 하여 로봇설계시 반영할 필요가 있었다. 또한 탱크의 경우 높이 10cm 정도의 탱크가 존재하며 탱크 인입구는 상부 또는 측면에 위치하고 탱크 인입구 주변의 복잡성으로 인해 로봇 인입장치의 높이에 제약이 있었다.

▶ 슬러지 제거 로봇사양 도출
가. 3가지 기본형태의 로봇 구상

① 바닥이동식 : 바닥면에 안착되어 전/후진 및 좌우회전이 가능한 이동부 및 상하회전이 가능한 슬러지 제거부로 구성
② 인입구 고정 매니퓰레이터 방식 : 상부 또는 측면의 인입구 측에 고정되어 슬러지 제거 위치에 따라 수직이송을 시키는 수직이송부에 슬러지 제거용 매니퓰레이터가 장착된 형태
③ 벽면 이동식 매니퓰레이터 : 벽면 양측을 지지하며 수직 이송이 가능한 벽면 이송부에 슬러지 제거용 매니퓰레이터가 장착된 형태

나. 3가지 기본 형태 로봇의 장단점 비교 및 사양 결정

인입구 구정식의 경우 원하는 위치로 슬러지 제거장치를 이동시키는 조작성이 우수하며 바닥조건과 관계없이 작업이 가능하나 중량이 무겁고 그 크기가 크기 때문에 설치가 어려우며 내부에 구조물이 있을 경우 간섭이 발생하는 문제점이 예상된다. 특히 다양한 크기의 탱크 또는 Sump에 적용하기 위해서는 여러 가지 크기의 링크 구조물을 구비해야 하는 문제점이 있다.

또한 벽면 이동식의 경우 인입구 고정시고가 마찬가지로 설치의 어려움, 내부 구조물 간섭 등의 문제점이 예상되며 수직방향으로의 안정된 이동기구 및 제어방법이 요구된다. 이에 반해 바닥 이동식은 바닥의 조건에 따라서 조작에 어려움이 예상되나 설치 용이성 및 다양한 탱크 또는 Sump에 대한 대응성이 높다. 원자력발전소 환경조사 결과 설치 주변공간이 협소한 경우가 많으므로 슬러지 제거로봇은 소형이어야 하고 설치와 입/퇴실 시 작업자 피폭을 줄이기 위해서는 중량이 가벼워야 한다. 또한 다양한 크기와 형태의 탱크 또는 Sump에 대응해야만 슬러지 제거 로봇의 활용도를 높일 수 있으므로 크기와 중량 측면에서 설치가 용이한 바닥 이동식 로봇 형태로 결정했다.

2. 슬러지 제거기법 구상
① 저장조 바닥의 슬러지 이탈을 위한 무한궤도 형상 구상 : 저장조 바닥과 접하는 체인에 트랙브러시를 부착하여 트랙 구동시 바닥면 슬러지를 이탈시킬 수 있도록 형상을 구상한다.
② 브러시, 스크루 등의 툴을 이용한 이탈 방식 구상 : 로봇의 전면 또는 후면의 슬러지 제거 툴 회전 구동축에 장착하여 독립적으로 사용할 수 있도록 브러시와 스크루 등의 툴을 구상한다.
③ 드라이아이스를 이용한 슬러지 세정방식 구상 : 고착이 심하여 슬러지 제거 툴을 사용하여 이탈이 되지 않는 침적 슬러지에 대해 근접분사가 가능하다면 드라이아이스를 이용한 슬러지 제거를 고려한다.

3. 슬러지 제거로봇 및 제거도구 예시

위의 첫번째 그림은 슬러지 제거로봇 및 제거도구 예시를 보여주고 있다. 바닥이동식이며 슬러지 제거 툴이 전면부에 부착되어 있고 가압분사노즐, 슬러지 폐액 흡입부, 감시 카메라 등이 반영되어 있다.

4. 운용 시나리오 수립

▶ 바닥 이동식 로봇의 운용방법에 대한 기본 시나리오 수립

① 설치단계
- 인입구 뚜껑 해체
- 인입구에 관측 장치 설치 및 탱크 내부상황 파악(1시간 이내)
- 흡입관 설치/삽입 및 바닥 면 노출시까지 슬러지 액 토출
- 관측장치에 의한 탱크바닥면 상황파악 및 녹화(1시간 이내)
- 로봇 인입 및 바닥면 안착(1시간 이내)
- 로봇기본 동작 확인(1시간 이내)

② 작업단계
- 관측 장치에 세정수 분사 장치 설치(30분 이내)
- 세정수 분사/슬러지 제거 도구 작동
- 이동 및 슬러지 액 흡입
- 고착 슬러지 분쇄
- 세정수 분사 및 슬러지 액 흡입
- 세정바닥면 촬영

③ 회수 단계
- 관측 장치 해체(30분 이내)
- 로봇인양(30분 이내)
- 관측 장치/로봇 제염(1시간 이내)

세정수를 분사하면서 슬러지를 제거할 경우 로봇에 많은 슬러지 물질이 묻게 될 것으로 예상되므로 로봇 자체에 카메라를 장착할 경우 주변 관측에 어려움이 예상된다. 따라서 로봇 자체에 카메라를 장착하지 않고 인입구의 관측 장치에 고배율 줌 컬러카메라를 장착하여 탱크 내부 검사 및 로봇주행 관측에 활용하도록 한다. 인입구의 관측 장치는 로봇보다 우선하여 설치되어야 하므로 로봇의 인입시 간섭이 발생하지 않도록 설계해야 한다. 슬러지 제거 로봇은 초기에 바닥이 노출될 때까지 슬러지 액을 흡입한 후 설치하므로 방수정보는 10m 이내로 충분하다고 판단된다.
로봇에 연결된 흡입관을 통해 많은 양의 슬러지를 흡입하게 될 경우 연결된 흡입관에 의해 로봇의 이동성이 저해될 것으로 예상되므로 로봇의 중량은 작업자가 취급할 수 있는 한 최대화시키며 로봇에 연결된 흡입 장치 이외에 별도로 바닥에 흡입장치를 설치하여 대용량의 슬러지를 흡입하도록 한다.

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