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원자로 내부조사용 로봇 ‘PMORPH(P모프)’를 개발한
히타치 GE 원자력 설계부의 오카다 사토시 주임

2017년 3월 18일 후쿠시마 제1원자력 발전소 1호기 사고 현장에 히타치 GE가 개발한 원자료 격납용기(PCV) 내부조사용 로봇 'PMORPH(P모프)※1"가 투입되었다. 원자로 폐쇄를 위한 '중장기 로드맵'에 따르면 격납용기에서 녹아내린 '핵연료 파편' 을 2021년부터 꺼낼 예정으로, 이번 조사를 토대로 방법을 검토한다. "현장은 어떻게 되어 있을까?" 원자로 폐쇄를 향한 첫걸음을 맡은 조사용 로봇 'PMORPH(P모프)' 개발자에게 현장 조사와 원자로 폐쇄를 위한 로봇 개발에 필요한 과제와 상황을 물어보았다. 경험하지 못한 참혹한 원자로 사고 현장에 가는 로봇 개발에 필요한 것은 의외로 아날로그 기술과 사람 간의 커뮤니케이션이었다.

※1:
 원자로 폐쇄 및 방사능에 오염된 물을 처리하기 위한 사업조성금은 IRID(국제폐로연구개발기구)로부터 지원받음.

사례 개요

  • 참혹한 환경에서 작업할 로봇에게 주어진 새 역할
    일반적인 로봇 개발은 정밀한 기기를 탑재하고 민첩한 동작을 목표로 하지만, 이번 후쿠시마 사고 현장처럼 참혹한 환경에서는 그것들이 '약점'이 된다. 조사용 로봇 개발은 "고성능 로봇을 만들어야 한다” 라는 "당연한 사고방식”을 바꾸어, 방사선에 약한 정밀 기기는 되도록 탑재하지 않고 제어는 원격 조작하는 방식으로 참혹한 환경에서도 작업할 수 있는 로봇을 실현했다.
  • 과제를 발견하는 것이 원자로 폐로 계획의 첫걸음
    꼼꼼한 작업 훈련을 거친 뒤, 카메라와 센서가 탑재된 원자로 격납용기(PCV) 내부 조사용 로봇 'PMORPH(P모프)'로부터 센서유닛을 후쿠시마 제1원자력 발전소 1호기의 PCV하부에 있는 물속으로 내리고 예정하고 있던 5곳을 모두 조사 할 수 있었다. 이는 아무도 본 적 없는 현장에 가본 것이었으며 아울러 새로운 과제도 발견하여, 원자로 폐쇄를 위한 다음 단계의 길을 만들었다.
  • 히타치의 로봇 개발을 지탱하는 팀워크
    다음 단계의 길을 가기 위해 실조사에서는 높은 정밀도의 운용이 요구되며, 또한 'PMORPH(P모프)'는 로봇 자체에 정밀 기기 탑재를 최소화한 구조로 만들어졌기에 원격 조종자의 치밀한 정확성이 요구되었다. 이번 미션에서는 기술 개발, 로봇 제작, 로봇 원격조종, 작업에 대한 총괄 운영 등 이 모든 것은 "팀 워크"에서 나왔다.

배경

참혹한 환경에서 작업할 로봇에게 주어진 새 역할

조사용로봇 'PMORPH(P모프)'의 개발과제는 ‘상황에 따른 변화’와 ‘참혹한 환경에서 발휘할 힘’ 두 가지였다.

조사용로봇 'PMORPH(P모프)'의 개발과제는 ‘상황에 따른 변화’와 ‘참혹한 환경에서 발휘할 힘’ 두 가지였다.

후쿠시마 제1원자력 발전소 방사능 유출 사고 직후부터 일본 및 해외의 다양한 로봇이 투입되어 사고의 수습과 제염은 물론 원자로 폐쇄를 위한 조사가 이루어지고 있다. 사실 원자력 발전소 작업 로봇의 개발 및 운용은 사고 이전부터 이루어졌기에 오랜 역사와 기술의 축적이 있었다. 이번 원자로 격납용기(PCV) 내부 조사용 로봇 'PMORPH(P모프)''의 개발을 맡은 히타치 GE 원자력 설계부 오카다 사토시 주임도, 히타치 연구 개발 그룹에서 그 기술을 계승하고 사고 직전까지 원자력 발전소 정기 검사용 로봇의 연구 개발을 이미 하고 있었다.

"사고 전에 제가 담당한 업무는 원자력 발전소 정기 점검 시 물로 채워진 원자로를 조사하는 로봇을 개발했습니다. 사람이 원격 조종하여 좁은 장소나 보이지 않는 곳까지 조사하였습니다. 그 기술력이 이번 'PMORPH(P모프)'' 개발의 토대가 되었지만, 기본적인 개발조건은 완전히 달랐습니다. 물은 방사선을 차단해주기 때문에 방사선의 영향은 사실상 제한되어 있습니다. 그러나 후쿠시마 사고 이후에는 높은 방사선이 예측되는 참혹한 환경에서 작업을 수행해야 하므로 어떤 로봇을 개발해야 할지, 처음부터 다시 생각해야 했습니다." (오카다)

"로봇"이라고 라면 정밀 기기가 탑재되고, 스스로 상황을 판단하여 사람과 같거나 더 효율적으로 할 수 있다는 이미지를 가지고 있다. 그러나 일반적인 로봇 개발이 목표로 하는 것은 이번 후쿠시마 사고 현장과 같이 참혹한 환경에서는 '약점'이 된다. 정밀한 기기일수록 방사선에 취약해지고, 민첩한 성능은 미확인 정보가 많은 상황에서 예상치 못한 사고를 부를 수 있다. 이번 조사용 로봇의 개발에서는 "고성능 로봇"을 만들어야 한다는 "당연한 사고방식"을 바꿔야 했다.

"한쪽을 채우면 다른 한쪽이 비는 딜레마가 있었습니다. 이러한 연구의 벽에 막혔을 때 대처하는 방법 있습니다. 바로 상반되는 과제를 따로따로 분리하는 것입니다. 고성능이 약점이라면 반대로 로봇 자체를 고성능으로 만들지 않고, 정밀기기등 방사선에 약한 부분을 외부로 꺼내면 로봇에는 강한 부분만 남습니다. 제어는 원격 조종으로 시행하고 각각의 기술을 분산시켜서 과제를 극복했습니다. "(오카다)

조사용 로봇 자체에는 가급적 정밀 기기의 탑재를 최소화하고 상황 판단은 케이블로 연결된 원격 조종자, 즉 사람의 판단에 맡겼다. 예를 들어 2015년 4월 후쿠시마 제1원자력 발전소 1호기에 투입한 1차 조사 로봇은 수평 레이저를 탑재했지만, 그 데이터에 기반을두어 위치 확인 분석은 원격 조종사 측이 맡았다. 굳이 아날로그적인 기술을 채택함으로써 참혹한 환경에서도 작동할 수 있는 로봇을 구축할 수 있었다. 그러한 "처음부터 생각하자"라는 방법에서 나온 것이 로봇의 외형 변화였다. 원자로 격납용기 내에 로봇이 투입되는 경로는 가늘고 긴 원통형인데, 원자로 안에 들어가서는 격자 모양의 바닥면을 안정적으로 이동을 해야 했다. 같지않은 조건에서도 최적의 외형을 얻고자 로봇 외형을 바꾼 것이다.

"PMORPH(P모프)는 원자로 격납용기를 의미하는 PCV란 단어의 머리 글자와 곤충의 형태변화를 의미하는 (메타모포제 : Metamorphose) 를 합성하여 명명했습니다. 이 명칭을 사회 전반에 걸쳐 대중이 인식하고 원자로 조사의 어려움은 물론 참혹한 조사 환경을 극복하는 로봇의 기능도 함께 알아주길 바라는 마음을 담고 있습니다." (오카다)

현재

과제를 발견하는 것이 원자로 폐로 계획의 첫걸음

2017년 3월 18일부터 22일까지 실시된 후쿠시마 제1원자력 발전소 1호기의 원자로 격납용기 (PCV) 내부 조사에서는 "PMORPH(P모프)에 탑재된 카메라와 센서를 내장한 유닛을 원자로 격납용기 밑바닥에 고인 물 속에 내렸다. 방사선 량의 측정과 수중 촬영으로 오염된 핵연료 파편이 어떻게 확산에 있는지를 영상으로 확인하는 것이 목적이었다. 2015년 4월의 조사를 바탕으로 이동 경로를 설정하고, 원자로 사고 현장을 재현한 세트장에서 철저한 원격 조종 훈련을 해서 당초 계획한 5곳의 조사를 철저히 할 수 있었다. 조사 후 "PMORPH(P모프)"를 원자료 격납용기에서 꺼내고 회수하는 데에도 성공했다. 참혹한 환경 속에서도 로봇을 사용하여 조사하는 기술 전체의 향상을 입증한 것이었다. 그리고 이는 새로운 문제를 발견할 수 있는 밑거름이 되었다.

"조사 목적에 맞는 로봇의 개발, 운영, 성과 등에서는 100점 만점에 100점에 가깝다고 자평합니다. 하지만 아무도 본 적 없는 현장에 가면 시뮬레이션 과정 때와 다른 경우가 있습니다. 예를 들면 물속에 예상보다 큰 퇴적물이 있어 , 실제 촬영된 이미지 데이터에서 오염된 연료 파편의 모습을 명확하게 볼 수 없습니다. 이러한 경우 때문에 방사선 측정 데이터를 이용하여 실제 상황을 추론할 수 있는 분석을 진행하고 있습니다. 모르는 것이 많기 때문에 해본다, 해보면 뭘 모르고 있었는지 알 수 있습니다. 이러한 것을 조사하여 새로운 과제를 풀면 원자로 폐쇄를 위한 다음 단계의 길이 만들어집니다."

향후 계획

히타치의 로봇 개발을 지탱하는 팀워크

후쿠시마 제1원자력 발전소의 사고 현장 조사 및 원자로 폐쇄 작업에 필요한 로봇 개발은 전례나 벤치마크 할 사례가 거의 없었다. 게다가 현장에서 테스트를 거듭하여 로봇의 성능 향상을 꾀할 수조차 없었다. 현장 투입이 실증 실험이며, 이때 성과가 다음의 성과로 연결하기 위해서는 높은 정밀도의 원격 조종 기술이 요구되었다. "PMORPH(P모프)"는 로봇이 방사선에 대한 저항력을 높이고자 로봇 자체에 가급적 정밀 기기의 탑재를 최소화한 구조 이미 때문에 원격 조종자 측의 치밀한 정확성이 요구되었다. 이렇게 조종자와 로봇이 확실한 연대를 도모하기 위해 개발 단계에서 빼놓을 수 없었던 것이 사람 간의 커뮤니케이션이었다.

"기술을 개발하는 사람, 그 기술로 로봇을 만드는 사람, 그 로봇을 조작하는 사람, 그 전체를 총괄 운영하는 사람 등등 이런 사람들이 모두 같은 현장에서 같은 방향성을 공유하지 않는 경우, 미지의 장소에 로봇을 보내어 목적을 이룰 수 없습니다. 이 점을 우리들은 항상 명심하였습니다. 그러기 위해서는 모든 팀원의 대화가 필요했으며 궁극적으로는 아날로그적인 기술 축적이 필수였습니다. 그런 의미에서 "팀워크"는 우리 히타치의 전통적인 직장 문화이며, 그 문화가 이번 미션에서도 유감없이 발휘되었음을 느꼈습니다." (오카다)

이번 조사 결과 분석에 따라 오염된 연료 파편이 어떤 상태로 존재하는지 판단하여 다음 단계를 진행할 예정이다. 그리고 오염된 연료 파편을 꺼내는 작업은 2021년부터 들어갈 예정이다. 히타치는 조사용 로봇 외에도 원자로 격납용기(PCV) 내에서 간단한 장비를 조립한다거나, 절삭한 핵연료 파편을 운반하고 회수하는 등의 작업이 가능한 유연한 구조의 로봇 팔(근육 로봇 ※ 2 )을 만드는 기술 개발 중이다.

※2:
 원자로 폐쇄 및 방사능에 오염된 물을 처리하기 위한 사업조성금은 IRID(국제폐로연구개발기구)로부터 지원 받음.

공개일:2017년6월