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문제 정의
- 이러한 결정론적 분석의 결과로부터 발생 가능한 화재의 결과가 대상물들에 어떠한 피해를 줄 수 있는지 판단할 수 있으므로 화재 PSA에서도 화재 모델링 코드 사용의 필요성이 요구되고 있는 상황이다.2> 그러므로 본 연구에서는 실제 원전 화 재구역인 안전 펌프실을 대상으로 화재모델링 코드 CFASTg 주요 입력 변수에 따른 결과의 변화를 알아보고자 하였으며, 이를 바탕으로 얻은 결론을 토대로 화재 PSA에 그 결과를 반영할 시 원전의 화재 안전성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
- 그러므로 본 분석은 화재 PSA에 적용할 화재모델링 코드 Zone Model CFAST에 대한 입력변수의 변화가 결과에 미치는 영향을 실제 원전의 특정 구역을 대상으로 수행하였다. 이는 입력 변수와 그에 따른 결과의 변화가 실제 대상 구역에서 어떠한 차이를 나타내는가를 알아보기 위함이다.
가설 설정
- 1) 본 분석의 공통적인 가정으로 화재구역 외부 및 내부의 온도는 20»C이며, 개구부는 평상시 폐쇄되어 있는 상황이며, 벽, 천정 및 바닥은 모두 콘크리트로 설정하였다.
- 이중 LOL은 연소 중단 산소농도를 10%일 때와 0%일 때로 구분하여 설정하였다. 두 번째는 화재에서 발생하는 에너지는 대류 열전달과 복사 열전달로 손실된다고 가정하는데, 이때 복사열 방출 비율(Radiative Fraction, RF)이 전체 화재 예측에 미치는 영향을 알아보고자 하였으며, 일반적으로 제시되는 0.2에서 0.4의 값을 설정하였다. 세 번째 분석은 공간 개구부가 실제 개구부 면적의 0%, 50%, 100% 등으로 설정하였을 경우 각각의 변화를 알아 보았으며, 이는 급기가 화재 형태에 미치는 영향을 알아보고자 한 것이다.
제안 방법
- 3) 연료가 가연성 액체인 경우 화재 개시와 동시 최대 열방출율에 도달하도록 설정하는 경우가 있으나, 가 연성 액체인 경유의 경우도 최대 열방출율에의 도달에는 어느 정도의 시간이 필요하므로, 현재 제시된 화재 상승 곡선 중 Ultra-Fast Growth를 사용하였다. 그러나 현재 대상이 되는 바닥 면적 규모에 대한 액체 가연물 화재 시 정확히 이러한 상승을 한다고는 하기 어려우나 점화와 동시에 모든 면적의 액체 가연물이 일제히 최대치로 연소한다는 가정에 비해서는 매우 현실적인 가정이라 할 수 있다.
- 세 번째 분석은 공간 개구부가 실제 개구부 면적의 0%, 50%, 100% 등으로 설정하였을 경우 각각의 변화를 알아 보았으며, 이는 급기가 화재 형태에 미치는 영향을 알아보고자 한 것이다. 결과 값으로는 상부층 온도와 상부 고온층의 높이를 그래프로 비교 분석하였다. 이는 그래프 결과로부터 상부 고온가스층에 위치한 케이블의 건전성 여부를 판단할 수 있기 때문이다.
- 따라서 화재 발생 시 해당 펌프실의 펌프와 관련된 기기가 화재로 인하여 기능을 수행하지 못할 경우보다는 펌프실의 상부 케이블의 전소로 인해 해당 펌프를 포함하여 이웃하고 있는 두 개의 방에 위치한 기기가 기능 상실할 경우 발 전소 안전성 측면에 보다 큰 영향을 미치게 된다. 그러나 본 논문의 결과에 의하면 화재가 발생한 해당 펌프를 제외하고는 상부에 위치한 케이블은 모두 건전성을 유지하는 것으로 나타났으므로, KIRAP를 사용한 정량화시 안전 펌프실에 위치한 기기만이 기능 상실한 다는 조건으로 분석을 수행하였다. 또한 정량화 단계에서 적절한 시간 내에 계산되면서도 의미 있는 모든 최소단절집함을 도출하기 위하여 CCDP에 영향이 극히 미미한 일부 최소단절 집합을 제외하기 위한 절삭 값(Cutoff Value) 1.
- 본 대상 공간은 가연성 액체에서 발생되는 에너지가 매우 클 것으로 판단되므로 환기 지배형 화재(Wntilation-Limited Fire)가 될 확률이 높다. 그러므로 먼저 화재 입력데이 터 설정 중 급기 제한 화재 (Constrained Fire) 부분과 최소 산소 제한농도 (Lower Oxygen Limit, LOL)의 설정에 대한 부분을 비교하였다. 이중 LOL은 연소 중단 산소농도를 10%일 때와 0%일 때로 구분하여 설정하였다.
- 현재 분석 중인 대상의 경우 다량의 가연성 액체가 바닥에서 급격히 연소하면서 성장하기 때문에 환기 제한 화재(Ventilation-Controlled Fire)로 예상되므로 개구부인 방화문의 설정은 매우 중요하다. 그러므로 이에 대하여 개방 비율을 0%, 50%, 100%로 설정한 후 분석을 수행하여 보았다. 그림 5에서 보듯이 개방 비율이 0%인 경우가 가장 온도가 낮으며, 그다음이 100%, 가장 높은 경우가 50%로 나타났다.
- 그러나 본 논문의 결과에 의하면 화재가 발생한 해당 펌프를 제외하고는 상부에 위치한 케이블은 모두 건전성을 유지하는 것으로 나타났으므로, KIRAP를 사용한 정량화시 안전 펌프실에 위치한 기기만이 기능 상실한 다는 조건으로 분석을 수행하였다. 또한 정량화 단계에서 적절한 시간 내에 계산되면서도 의미 있는 모든 최소단절집함을 도출하기 위하여 CCDP에 영향이 극히 미미한 일부 최소단절 집합을 제외하기 위한 절삭 값(Cutoff Value) 1.3E-11을 적용하였다.
- 4의 값을 설정하였다. 세 번째 분석은 공간 개구부가 실제 개구부 면적의 0%, 50%, 100% 등으로 설정하였을 경우 각각의 변화를 알아 보았으며, 이는 급기가 화재 형태에 미치는 영향을 알아보고자 한 것이다. 결과 값으로는 상부층 온도와 상부 고온층의 높이를 그래프로 비교 분석하였다.
- 안전펌프실의 화재발생빈도값은 CDF값의 증가에 영향을 미치지 않으므로 CCDP만을 분석하였으며, CCDP 는 화재사건 분석을 위해 구성된 고장 수목을 사용하여 안전펌프실 사고 경위에 대해서 CCDP를 구하였다.
- 위에서 언급한 조건에 의한 설정으로 화재모델링 코드를 사용하여 분석을 수행하였다. 각 Case의 결과는 다음과 같다.
- 4) 실제 대상 공간의 내부에는 철재 구조물들이 있으며, 공간의 상부에는 다량의 케이블과 케이블 트레 이가 존재한다. 이를 고려한다면 실제 온도는 예측치보다 낮을 것으로 예상되지만, 이들에 의한 열 손실을 고려하지 않고 분석을 수행하였다. Zone Model의 한 계상 벽면이 아닌 공간 내부 구조물에 의한 열 손실은 고려되지 못하므로 이러한 부분에 대한 보정은 추후 분석해야 할 사항이다.
- 그러므로 먼저 화재 입력데이 터 설정 중 급기 제한 화재 (Constrained Fire) 부분과 최소 산소 제한농도 (Lower Oxygen Limit, LOL)의 설정에 대한 부분을 비교하였다. 이중 LOL은 연소 중단 산소농도를 10%일 때와 0%일 때로 구분하여 설정하였다. 두 번째는 화재에서 발생하는 에너지는 대류 열전달과 복사 열전달로 손실된다고 가정하는데, 이때 복사열 방출 비율(Radiative Fraction, RF)이 전체 화재 예측에 미치는 영향을 알아보고자 하였으며, 일반적으로 제시되는 0.
- 78 n? 이다. 현재 윤활유(lubricants)에 대한 연소열 (Heat of Combustion)과 질량 소모율(Mass LossRate)의 데이터 확보가 용이하지 못하였던 관계로 매우 보수적인 가정으로 경유(Diesel Oil)의 데이터를 사용하여 내부 화재의 규모와 지속시간 등을 설정하였다.
대상 데이터
- 2) 연료는 보수적으로 경유(Diesel Oil)로 설정하였으며, 이는 윤활유(Lubrication Oil)에 대한 화재 관련 데이터의 확보가 현실적으로 어렵기 때문에 매우 보수적인 가정하에 유사한 데이터를 사용하였다.
- 이러한 입력변수의 변화에 의한 결과변화에 대한 화재 모델 검증은 ISO TC 92少의 검토 서류나 ASTM E 135宁> 등에서도 요구하고 있는 사 항이기도 하다. 그러므로 본 분석은 화재 PSA에 적용할 화재모델링 코드 Zone Model CFAST에 대한 입력변수의 변화가 결과에 미치는 영향을 실제 원전의 특정 구역을 대상으로 수행하였다. 이는 입력 변수와 그에 따른 결과의 변화가 실제 대상 구역에서 어떠한 차이를 나타내는가를 알아보기 위함이다.
- 본 논문의 대상 화재구역인 안전펌프실에는 안전펌프 외에 밸브, 펌프실 냉방기 및 이웃한 두 개의 방에 위치한 기기의 케이블 등이 있다. 따라서 화재 발생 시 해당 펌프실의 펌프와 관련된 기기가 화재로 인하여 기능을 수행하지 못할 경우보다는 펌프실의 상부 케이블의 전소로 인해 해당 펌프를 포함하여 이웃하고 있는 두 개의 방에 위치한 기기가 기능 상실할 경우 발 전소 안전성 측면에 보다 큰 영향을 미치게 된다.
- 본 대상 공간의 방화문은 바닥 면에 있는 것이 아니라 5.3m 높이에 있으며, 높이 2m, 폭 1 m의 크기를 가지고 있다. 현재 분석 중인 대상의 경우 다량의 가연성 액체가 바닥에서 급격히 연소하면서 성장하기 때문에 환기 제한 화재(Ventilation-Controlled Fire)로 예상되므로 개구부인 방화문의 설정은 매우 중요하다.
- 본 연구의 분석 대상은 원자력 발전소의 안전계통 펌프실이며, 내부에는 펌프 1대가 설치되어있고, 상부에는 케이블이 관통하고 있다. 본 화재구역에서의 대 표적인 화재 시나리오는 펌프에 사용되는 윤활유의 누출과 펌프 과열에 의한 윤활유의 연소이다.
데이터처리
- 그림 9. CCDP 비교 평가.
이론/모형
- 현재까지 다수의 Zone Model이 개발되었으나 현재 가장 대표적인 모델은 미국 NIST Building Fire Research Lab에서 배포하고 있는 CFAST(Consolidated model of Fire growth And Smoke Transport)라고 할 수 있다. 이 모델은 기존 Zone Model을 통합하여 정밀도를 향상시키고 부가적 기능을 첨부하였으며, 사용자 환경을 개선한 FASTLite 및 FAST 모델로 이루어져 있다.少
- 화재구역 CCDP 평가에는 원자력연구소 종합안전평가부에서 개발한 KIRAP(KAERI Integrated Reliability Assessment code Package) 코드를 사용하였다.'"
성능/효과
- 미국 원자력 규제 위원회(Nuclear Regulatory Com mission: NRC)에서 발간한 “Fire Protection Significance Determination Process(SDP)" 자료" 및 미국 전력연구 원(EPRI)에서 발간한 “Fire PRA Implementation Guide" 자료에상기 결과로 인해 안전 펌프실에 위치 한 케이블이 손상 받지 않음을 확인할 수 있다.
- 1) 본 대상의 구조 및 화재 특성상 환기 지배형 화재이므로 급기제한 및 최소산소농도 10%를 설정하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
- 2) 복사열 방출은 총 열방출율에서 대류 열전달로 소모되는 비율을 줄이게 되지만 대상 공간의 온도나 연 기층 하강에는 큰 영향을 미치지 않으므로 30%의 일 반적 비율로 설정하여도 무방한 것으로 판단된다.
- 3) 개구부가 열릴 경우 산소의 공급이 이루어져 상부층 온도는 높은 상승을 보여준다. 그러나 오히려 100%의 개방이 외부로의 연기 방출과 저온의 공기 공급을 원활하게 하여 50%에 비해 온도 상승이 작은 것으로 나타났다.
- 37.1MW로 62.4초간 화재가 지속될 경우 발생되는 에너지의 양(Qgi)은 2315.()4 MJ이며 Ultra-Fast Growth로 성장하는 화재로 위에 언급된 에너지량을 발생시키는 시간은 333.2초이며 이때 도달하는 최대 열방출율은 20, 802 kW이다.
- 4) Constrained Fire, Lower Oxygen Limt 10%,Radiative Fraction 0.3 및 방화문이 차단된 상태 즉, 앞에서의 여러 가지 조건 중 가장 현실적인 조건하에서 의 화재구역 내 상부 케이블 건전성은 유지됨이 확인되었다.
- 7) 안전 펌프실의 CCDP를 평가한 결과 9.25E-07 이었으며, 이는 기존의 보수적 가정하에 수행한 CCDP 값인 2.19E-06보다 약 2.3배 감소하는 보다 현실적이 고 불확실성이 감소한 결과를 도출할 수 있었다.
- CFAST 결과를 이용하여 안전 펌프실의 CCDP를 평가한 결과 그림 9에 나타난 바와 같이 9.25E-07이었으며, 이는 기존의 보수적 가정하에 수행한 CCDP값인 2.19E-06보다 약 2.3배 감소하는 보다 현실적이고 불 확실성이 감소한 결과를 도출할 수 있었다.
- 위의 분석을 통하여 검토 대상이 된 변수 중 복사 열 방출은 영향이 거의 없는 것으로 판단되었다. 그러나 개구부의 개방 정도나 개방 시간에 대한 설정은 시 나리 오에서 다양하게 검토하거나 신중하게 조건을 설정할 필요가 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 이를 고려한다면 실제 온도는 예측치보다 낮을 것으로 예상되지만, 이들에 의한 열 손실을 고려하지 않고 분석을 수행하였다. Zone Model의 한 계상 벽면이 아닌 공간 내부 구조물에 의한 열 손실은 고려되지 못하므로 이러한 부분에 대한 보정은 추후 분석해야 할 사항이다.
- 0E-06보다 작은 경우는 상세 분석 대상에서 제외하고 있으며, 9> 안전펌프실의 사고 경위 역시 화재발생빈 도값을 적용하면 그 값이 거의 E-1O 정도로 다른 주요 사고 경위의 CDF인 E-06에 비해 매우 작음을 알 수 있다. 그러나 화재구역의 기기 및 케이블 건전성 평가에 CFAST와 같은 화재 모델을 이용하게 되면 상기 설명한 바와 같이 현실적이고 불확실성이 감소한 결과를 얻을 수 있을 뿐만이 아니라, 화재 PSA 모델의 품질 향상과 위험도 활용 측면에서 큰 의미를 부여할 수 있다고 판단된다.
- 그러므로 이러한 입력 데이터의 사용은 화재 공학 및 모델에 대한 이 해를 기반으로 판단되고 선정되어야 한다. 또한 특정 모델의 입력 변수들을 설정하고 결정할 때 결과에 어 떠한 영향을 미치는가에 대한 분석과 연구가 필수적으로 수행되어야 한다. 이러한 입력변수의 변화에 의한 결과변화에 대한 화재 모델 검증은 ISO TC 92少의 검토 서류나 ASTM E 135宁> 등에서도 요구하고 있는 사 항이기도 하다.
- 정확한 데이터가 확보되고, 위에서 제시된 변수들에 대한 고려를 시나리오에서 충분히 해 준다면 화재로 인한 공간 내부의 대상 물질에 대한 피해 여부를 보다 정확하고 현실적으로 판단할 수 있을 것으로 생각되며, 그에 따르는 소 화설비의 설치 필요 유무와 같은 개선 방안을 수립하여 원전의 화재에 대한 안전도를 높이는 데 기여할 수 있을 것이라 판단된다. 또한 현재 국내에서 작성 중인 각 원전에 대한 화재 방호계획서 상에는 중요 화재구역에 대한 화재 성장 및 전파 현상을 화재모델링 결과를 토대로 상세하게 기술하도록 규제기관에서 요구하고 있는바 앞으로 더 많은 화재구역에 대한 적용 연구가 필요하다고 사료된다.
- 마지막으로 화재 PSA 및 화재위험도 분석 시 화재 모 델 링코드를 사용하여 보다 정량적이고 불확실성이 감소한 결과를 도출할 수 있을 뿐만이 아니라, 화재 PSA 모델의 품질 향상과 위험도 활용 측면에서 큰 의미를 부여할 수 있다고 판단된다.
- 우리가 적용의 대상으로 하는 공간은 이 미 결정되어 있으므로, 공간의 크기와 벽면의 재질 등은 모든 분석 항목에서 공통으로 한다. 본 대상 공간은 가연성 액체에서 발생되는 에너지가 매우 클 것으로 판단되므로 환기 지배형 화재(Wntilation-Limited Fire)가 될 확률이 높다. 그러므로 먼저 화재 입력데이 터 설정 중 급기 제한 화재 (Constrained Fire) 부분과 최소 산소 제한농도 (Lower Oxygen Limit, LOL)의 설정에 대한 부분을 비교하였다.
- 그러나 개구부의 개방 정도나 개방 시간에 대한 설정은 시 나리 오에서 다양하게 검토하거나 신중하게 조건을 설정할 필요가 있는 것으로 판단된다. 정확한 데이터가 확보되고, 위에서 제시된 변수들에 대한 고려를 시나리오에서 충분히 해 준다면 화재로 인한 공간 내부의 대상 물질에 대한 피해 여부를 보다 정확하고 현실적으로 판단할 수 있을 것으로 생각되며, 그에 따르는 소 화설비의 설치 필요 유무와 같은 개선 방안을 수립하여 원전의 화재에 대한 안전도를 높이는 데 기여할 수 있을 것이라 판단된다. 또한 현재 국내에서 작성 중인 각 원전에 대한 화재 방호계획서 상에는 중요 화재구역에 대한 화재 성장 및 전파 현상을 화재모델링 결과를 토대로 상세하게 기술하도록 규제기관에서 요구하고 있는바 앞으로 더 많은 화재구역에 대한 적용 연구가 필요하다고 사료된다.
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