- 원자력硏‧공군 중성자 이용 비파괴분석법 적용 터빈 냉각홀 미세 열부식 결함 확인 -
- 국제 비파괴 관련 저널 게재… 항공기 추락 사고 방지 위한 신기술 조명 -

국내 연구진이 중성자를 이용한 비파괴 분석을 통해 항공기 제트엔진 내부의 터빈 날개(turbine blade) 미세 결함을 확인할 수 있는 기술 개발에 성공, 보다 정확한 항공기 사고 원인 규명의 실마리를 제공하게 됐다.

한국원자력연구원(원장 김종경) 중성자과학연구부 심철무 박사팀과 공군 항공기술연구소 황영하 박사팀은 항공기 제트엔진 내 터빈 날개 냉각홀(cooling channel, 직경 0.38 mm) 내부에  존재하는 수십 마이크로(㎛) 단위의 미세 결함을 탐지하는 가돌리늄(Gd)표시-중성자 토모그라피 (Gadolinium tagging neutron tomography)* 방법을 개발했다. 이 결과는 미국 비파괴 전문 학술지인 ‘Journal of Nondestructive Evaluation’ 온라인 판에 5월 16일 발표됐다.

※ Gd 표시-중성자 토모그라피 방법: X선 및 초음파로는 탐지할 수 없는 turbine blade 내부에 존재하는 미세 결함에 중성자 흡수계수가 높은 조영제로서 Gd(gadolinium) 물질을 진공법으로 내부에 투입하여 고착한 다음 turbine blade을 강압으로 세척함으로 건전 부위의 Gd은 제거되고 미세 결함 부위에 고착된 Gd만이 잔류됨. 그 후 3차원 중성자 토모그라피로 촬영하면 미세결함에 흡착된 Gd에 중성자가 흡수되고 건전 부위는 중성자가 투과되어 3차원적으로 마이크로 단위의 공간 분해능으로 구분할 수 있는 계조도(contrast) 차이가 남.  병원에서 조기 암을 진단하는 조영제 CT와 PET-CT 비슷함. 

한국원자력연구원과 공군 항공기술연구소는 항공기 엔진 주요 부품인 터빈 날개 손상으로 인한 추락사고가 국내외에서 자주 발생함에 따라 근본원인을 규명하고 해결하기 위해 2006년 기술교류 합의를 체결하고 공동연구를 진행해왔다.

국내외 항공기 제트엔진은 ‘정비기술지침서’에 따라 4300회 이상 비행한 경우 터빈 날개에 대해 와전류, 초음파, X선 등의 검사를 거쳐 결함이 발견되지 않으면 합격처리 되어 비행에 계속 사용하고 있다. 이번 연구는 기술지침서 기준에 따라 합격 처리된 270개 터빈 날개에 대해 Gd 표시-중성자토모그라피 방법을 적용해 진행됐다.

와전류 및 X-ray 검사를 통과한 2단계 72개의 터빈 날개 가운데 10개 (13.8%)에서 냉각홀 내부에 집단적으로 10㎛ 크기의 결함 및 이물질 등이 발견됐으며, 결함의 종류를 분석하기 위해 터빈 날개를 절단해 확인한 결과 냉각홀 내부 결함 표면에 산소가 30%이상 존재하는 것을 확인, 열부식 (hot corrosion)*에 의한 결함으로 평가됐다.

※ 열부식은 바다에서 불어오는 공기 중의 소금성분(NaCl)과 연료 내에 존재하는 황(S)성분이 이온결합으로 생성되는 황산나트륨(Na2SO4)이 산화해 발생

항공기 부품의 열부식은 그 탐지 기술의 한계 때문에 표면에만 발생되는 것으로 보고되고 있는 실정이다. 그러나 이번 연구를 통해 Gd 표시-중성자 토모그라피 방법으로 사용 중(in-service) 터빈 날개 중 13%가 냉각홀 내부에 열부식 결함이 존재하는 것으로 확인 된 만큼, 항공기 비파괴검사에 신뢰성을 높여 부식 결함으로 인한 항공기 추락 사고를 상당히 줄일 수 것으로 기대하고 있다.

연구용 원자로 하나로(HANARO)의 중성자 영상장치에서 수행한 1차 결과에 대해 미국 Aerotest-Operation사와 미국 캘리포니아주립대학 데이비스 분교 맥클레란핵연구센터(UC-DAVIS MNRC)에서 각각 2차례 재실험을 거쳐 연구 결과를 검증하는 한편, 영국 롤스로이스(Rolls-Royce)사 항공기비파괴전문가, ASTM (American Society Testing Material) 비파괴분과위원 등으로부터 연구 절차 및 결과에 대한 검토를 받았다.

관련 전문가들은 Gd 표시-중성자 토모그라피 방법이 항공기 엔진 turbine blade 내부 부식결함으로 발생하는 항공기 추락 사고를 줄일 수 있는 방법으로 평가하고 있다.

심철무 박사는 “이번 연구를 통해 항공기 터빈 날개 비파괴검사에 신뢰성을 상당히 높여 부식 결함으로 인한 항공기 추락 사고를 상당히 줄일 수 것”이라며 “향후 사용중 (in-service) 항공기 정비기술지침서에 Gd 표시-중성자 토모그라피 방법이 추가될 것으로 기대된다”고 말했다.