원자력(硏) ‘중성자 비파괴 검사’ 기술, 우리 군 항공기 정비에 쓰인다
박창규 한국원자력연구소장(왼쪽)과 구본담 공군 군수사령관은 6일 빠른 시일 내에 공군 보유 항공기 정비에 중성자 비파괴 검사 기법을 도입하기로 합의했다.
이에 따라 빠르면 내년부터 공군 보유 항공기의 엔진 등 주요 부품을 한국원자력연구소의 연구용 원자로 하나로에 설치된 ‘중성자 토모그라피(단층 촬영 장치)’와 ‘중성자 잔류응력 장치’ 등을 이용해 정밀 비파괴 검사를 실시하게 될 전망이다. 또한 항공기 동체 등 이동이나 분해가 불가능한 대형 구조물 검사를 위한 이동형 중성자 비파괴 검사 장치도 개발이 완료되는 대로 공군 창정비에 도입하기로 했다. 한국원자력연구소와 공군 군수사령부는 현재 하나로에 건설중인 냉중성자 실험동 내에 공군 및 국방부 전용 중성자 비파괴 검사장치를 설치, 운영하는 방안에도 의견 접근을 이뤘다.
눈에 보이지 않는 항공기 기체의 균열과 각종 결함을 분석하기 위한 비파괴 검사에 중성자를 이용하는 기법은 세계적으로도 첨단 기술에 속하는 분야로, 공군 보유 항공기 주요 부품의 결함을 조기 탐지해 기체 결함으로 인한 사고를 막고 정비 품질을 향상시키는데 기여할 것으로 보인다. 한국원자력연구소는 국내 유일의 연구용 원자로인 하나로에 설치된 중성자 비파괴 시설을 군 항공기 정비에 적용하기 위한 연구를 꾸준히 수행해왔다. 이를 토대로 지난 2004년 군용 헬리콥터 로터 블레이드(rotor blade)의 내부 결함의 깊이와 길이를 정확하게 측정해냈고, 지난해에는 엔진 터빈 블레이드에 대한 미국 공군 전용 원자로, 미국 Aerotest Operation사, 독일 HMI 연구소 등 선진국 시설과 비교 검사를 수행해 우수한 결과를 얻어냈다.
홍성룡 공군 군수사령부 항공기술연구소장은 “중성자 비파괴 검사를 도입하면 엔진을 비롯한 항공기 주요 부품의 품질 검사 기술이 획기적으로 발전할 것으로 기대된다”며 “한국원자력연구소와 공군의 기술협력이 민간 기술과 군의 정비역량이 조화를 이루는 계기가 될 것으로 기대한다”이라고 밝혔다.
1. 중성자 비파괴 검사
; 중성자가 물질을 투과할 때 물질과 상호작용에 의해 그 세기가 감쇠하는 현상을 이용한 비파괴 검사 방법. 비파괴 검사에 일반적으로 사용되는 X-선이 전자와 반응하는 반면 중성자는 원자핵과 반응하여 침투 정도가 X-선보다 훨씬 깊고 분해능도 뛰어나다. 금속과 같이 밀도가 높은 물질이나 폭약류, 수소 화합물과 같이 가벼운 원소로 구성된 복합 물질의 비파괴 검사에 유용하다.
중성자 비파괴 검사는 3가지의 중성자원을 사용하여 수행할 수 있다. 항공기 부품 중 이동이 가능하고 탈착이 비교적 용이한 소형부품은 원자로의 핵분열로 발생되는 중성자를 이용하여 비파괴 검사를 수행한다. 세계적으로 약 120기의 원자로형 중성자 비파괴 검사 장치가 운영중이다.
이동 및 분해가 곤란한 대형 부품은 기지에서 직접 중성자 비파괴 검사를 수행할 수 밖에 없으므로 이동과 차량 탑재가 가능한 중성자원으로 동위원소 캘리포늄(Cf-252)이나 D(중수소:Deuterium)-T(삼중수소:Tritium)형 중성자 발생장치를 이용한다.
2. 중성자 토모그라피(Neutron Tomography)
; 중성자를 이용, 물질의 내부 구조를 3차원적으로 영상화하는 비파괴 검사 기술. 의료용으로 사용되고 있는 컴퓨터 단층촬영(CT; Computer Tomography)과 같은 원리로 작동한다. 항공기 엔진 부품 등 X-선으로 볼 수 없는 복잡한 구조물을 정밀하게 검사하는데 사용되고 있다.
3. 중성자 잔류응력 장치(Residual Stress Instrument)
; 중성자의 회절 현상을 이용하여 구조물 잔류응력(물체가 외부 힘을 받아서 변형이 생기면 외부 힘을 없앤 후애도 원래 상태로 회복되지 않게 되는, 내부의 힘)으로 인한 원자구조 변형 정도를 측정하는 장치. 항공기 착륙장치 brace 등 하중이 많이 걸리는 구조물 측정에 사용된다.
4. 중성자 비파괴 검사와 타 비파괴 검사 방법 비교
1) X-선 : 의료 및 산업 분야에서 100여 년 동안 가장 많이 사용돼온 방법. 무거운 원소로 구성된 물질의 경우 침투 깊이가 낮다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위한 고에너지 삼차원 X-선 등이 개발돼 정밀 기계 산업에 이용되고 있다. 항공 분야에서는 중성자와 융합된 영상으로 상호 보완적으로 사용되고 있다.
2) 와전류 : 금속 등의 전도체에 교류가 흐르는 코일을 접근시키면 코일 주위에 생긴 자장의 영향으로 전도체 내부에 와전류가 유도된다. 와전류는 도체의 표면 또는 표면직하에 균열 등의 불연속이 있으면 변화한다. 이 와전류의 변화를 이용해서 결함의 검출 및 재질을 감별하는 비파괴 검사 방법이다.
3) 초음파 : 가청 주파수 이상의 주파수(20,000Hz)를 물체에 보내 물체 내에 존재하는 불연속을 검출하는 방법. 반사되어 오는 초음파의 양 또는 물체 내의 진행시간, 감쇠 등의 정보를 통해서 불연속의 위치와 크기 또는 시험체의 두께를 평가하는 비파괴검사 방법이다.
4) 중성자 비파괴 검사 : X-선 검사와 영상 기술 면에서는 동일하나 물질과 작용하는 방법의 차이로 X-선과 상호 보완적인 영상을 얻을 수 있다. X-선은 원자번호와 비례하여 흡수계수가 크지만, 중성자는 정반대로 수소가 포함되어 있는 물질이나 유기물질에서 흡수계수가 큰 반면 철, 알루미늄, 니켈 합금 등 무거운 물질에는 흡수계수가 작아 잘 투과된다.
항공기 비파괴 검사의 경우 기체의 표면 결함(blow, crack, void)은 X-선 검사 방법으로 잘 검출이 되고, 내부 부식(moisture, cell corrosion)은 중성자 검사 방법이 보다 나은 검사 결과를 얻을 수 있다.
5. 외국 군의 중성자 비파괴 검사 응용 사례
1) 미국 : 미국 공군은 항공기 부품의 부식 및 결함 등을 검사 할 목적으로 1990년 미국 새크라멘토 공군기지에 공군 전용 원자로 MNRC(McCLELAN Nuclear Radiation Center)를 건설하였다. 항공기 제작 단계부터 기골 및 수평 날개 및 수직 날개 등 주요 부품의 중성자 비파괴 검사를 수행하고 있다. 최근에 3차원 토모그라피 장치를 설치하여 터빈 블레이드의 수소 취화로 인한 미세결함을 검출하기 위한 기술을 개발하고 있다.
아울러 방사성 동위원소 캘리포늄(Cf-252)를 이용하여 기지에서 항공기 기체를 직접 검사하기 위하여 기동형 중성자 비파괴 검사 장치를 제작, 새크라멘토 공군 기지에 설치하였다.
2) 캐나다 : 왕립사관학교(Royal Military College)에 설치된 원자로에 공군 전용기 CF-18에 대해서 초음파, X-선 검사 방법과 동시에 상호 보완적으로 사용할 수 중성자 검사 시스템을 완성하였다. X-선과 초음파 검사 결과 결함이 발견될 경우 재검사로 중성자 비파괴 검사를 수행한다.
3) 유럽 : 프랑스 Saclay 연구소의 원자로를 이용하여 항공기 부품의 비파괴 검사를 수행하고 있다. 헝가리도 헬리콥터의 로터 블레이드를 검사할 수 있도록 원자로 차폐와 검사 장치 검출기 등을 개조한 중성자 비파괴 검사 장치를 보유하고 있다. 주변에 X-선 및 초음파, 음향 발생법 등의 검사 방법을 단계적으로 수행할 수 있도록 장치를 구축, 나토(NATO) 군 헬리콥터의 정기 검사에 활용되고 있다. .
4) 일본 : F-15J의 터빈 블레이드 제작회사인 Ishikawajima-Harima/ Kawasaki사가 Mitsubishi사의 가속기를 이용한 중성자 영상 장치를 운영하고 있다.
6. 한국 공군 적용 가능 분야 및 기대 효과
1) 적용분야
- X-ray가 검출하지 못하는 정밀주조 Turbine blade와 Honey comb 구조 등의 항공기 부품의 부식, 미세결함, 이물질 검사 및 주 착륙장치(Drag brace) 등의 잔류응력 측정
- 중성자 비파괴 검사 기술 및 장치를 이용하여 국내 생산 항공기(훈련기, 공격기, 전투기, 헬리곱터) 비파괴검사 수행으로 품질보증
- 정밀주조 부품(turbine blade 등) 및 honey comb 구조물의 균열, 이물질 유입 여부, 수분 침투 등에 대한 결함 탐지 및 데이터 구축 활용
- 대형구조물(Leading Edge, 헬리콥터 Rotor Blade)에 대한 비분해 검사
- 기존 비파괴 검사(초음파, 적외선, 레이저, 와전류)를 통해 의심되는 결함에 대한 검증 등과 같이 상호 검증
- 기 확보된 중성자장치 이용 보안검색, 의료진단, 우주 항공 추진체 검사등 군내 사용 분야 확대 적용
2) 기대 효과
- 한국공군 운영 항공기 비파괴검사 신뢰성 향상을 통해 정비품질 보장
- 신형 항공기 정비 개념인 비분해식 검사 가능으로 분해/조립에 따른 2차 손상 방지를 통한 정비 효율성 증대 및 소모성 부품 사용 감축으로 비용 절감
- 국내 생산 항공기에 대한 신뢰성 확보로 항공기 안전성 증대와 시험검사기술 및 품질인증기술 확보로(BASA 자격 취득) 해외수출 시 신인도 향상
- 군전용 항공기 비파괴 검사 기술 개발 시스템 구축으로 최신기술 및 교육프로그램, 기술 사양서(Technical order) 자체 작성을 통해 비파괴 검사 기술 수출 가능
웹사이트: http://www.kaeri.re.kr
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한국원자력연구소 하나로이용기술개발부 심철무 실장 042-868-8612