[논문]원전 화재방호구역의 화재위험 분석을 위한 FDS 적용성

지문학; 이병곤

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원자력발전소의 화재방호규정은 정성적인 화재위험성평가와 정량적인 화재위험도분석에 기반을 두며, 화재위험은 심층화재방어개념인 화재 예방, 화재 진압, 및 피해 최소화의 3가지 요소에 균형을 유지하면서 화재방호계획에 의해 관리되고 있다. 최근 화재위험 상세평가는 일반적으로 존모델 또는 필드모델을 이용하고 있다. 본 논문에서는 이런 추세에 따라 최신 화재모델링 도구인 FDS를 이용하여 원자력 발전소의 방화지역에 대한 정량적 화재위험분석 및 화재영향 평가가 가능한지 그 여부를 확인하였다. 이의 결과 화재모델링을 이용한 정량적 위험분석은 원자력발전소의 방화지역에 대한 정량적 위험도 분석뿐만 아니라 화재로 인한 원자로 노심 손상빈도를 개선할 수 있는 응용 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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The fire protection regulation for the nuclear power plants is based on the qualitative fire hazard assessment and the quantitative fire risk analysis, and the fire risk is managed by the fire protection plan with the appropriate balance among the fire prevention, fire suppression and the minimizati...

The fire protection regulation for the nuclear power plants is based on the qualitative fire hazard assessment and the quantitative fire risk analysis, and the fire risk is managed by the fire protection plan with the appropriate balance among the fire prevention, fire suppression and the minimization of the fire effect. In these days, the zone model or the field model is generally used for the detail evaluation for the fire risk. At this paper, with consideration of the present trend, we evaluate whether the quantitative fire risk analysis and the assessment of fire result for fire areas at nuclear power plants can be possible by use of Fire Dynamics Simulator (FDS) that is the state-of-the-art fire modeling tool. Consequently, it is expected that the quantitative fire risk evaluation propelled by the fire modeling can be available as an applicable tool to improve the core damage frequency as well as the quantitative fire risk analysis.

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문제 정의

본 논문에서는 원전 방화지역의 화재시 고온, 열유 속, 화염접촉 등의 열적 거동을 평가할 수 있는 전산 유체역 학 모델인 FDS(Fluid Dynamics Simulator)를 이용하여 방화구역들의 위험성 평가를 수행하였다. 즉, 원자로 안전정지 관련 기기가 동일한 화재구역에 존재하는 경우 화재시나리오를 구성하고 이에 대한 화재 모델링 결과를 분석하고 평가함으로서 전산유체역학 모델인 FDS에 의하여 원전 방화지역의 화재위험성을 평가할 수 있는 방안을 검토하였다.
본 논문에서는 전산유체역학 모델로서 미국 국립표 준연구서에서 개발한 FDS를 이용하여 원전 방화구역 의 위험성 분석을 위한 적용성을 평가하였다. 이의 결과 화재 시나리오별 온도, 열속, 화염접촉 등 화재로 인한 동적 영향을 평가할 수 있었으며 설비개선을 가 정한 상태에서도 화재위험 영향을 평가하여 개선안을 제시할 수 있었다.
본 논문에서는 원전 방화지역의 화재시 고온, 열유 속, 화염접촉 등의 열적 거동을 평가할 수 있는 전산 유체역 학 모델인 FDS(Fluid Dynamics Simulator)를 이용하여 방화구역들의 위험성 평가를 수행하였다. 즉, 원자로 안전정지 관련 기기가 동일한 화재구역에 존재하는 경우 화재시나리오를 구성하고 이에 대한 화재 모델링 결과를 분석하고 평가함으로서 전산유체역학 모델인 FDS에 의하여 원전 방화지역의 화재위험성을 평가할 수 있는 방안을 검토하였다.

가설 설정

가연물을 줄이는 방법은 고온 증기배관의 표면과 보 온재에 누설된 오일을 별도의 누설오일 저장조에 배유 할 수 있도록 설비개선을 가정하였다. 이에 따라 1차 화재모델링에서 평가한 오일 누설량은 136리터였으나 설비개선후 오일 누설량은 약 16리터로 감소하여 누설 면적은 크게 감소하였다.
설비개선이 이루어진 상태를 가정하여 화재시나리오 를 재차 검토하였다. 화재시나리오에서 1차 평가 과정에서 화재로 인한 영향이 없는 시나리오는 배제하였다.

제안 방법

단, 본 연구는 평가방법에 대한 결과의 경향을 분석하기 위한 목적이므로 이미 국제적으로 공인된 변수들의 평가기 준 및 분석방법들에 대해서는 별도 검증이나 타당성을 평가하지 않았다. Table 1은 이번 연구에서 화재로 인한 열적 영향을 평가하는데 사용한 손상기준치(damage threshold)를 제시하였다.
반면, 화재시나리오 ZAJ08-SC01의 경우 열속에 의한 영향으로 원자로 안전정지를 위한 케이블의 손상이 발생하였으며 화재시나리오 ZAJ08- SCO2의 경우 최대 열속이 8.74kW/n?로서 케이블이 내 화케이블일 경우 화재로 인한 영향은 없으나 비내화케 이블을 가정하여 열적 영향에 대한 추가적인 검토를 수행하였다. Table 4는 화재모델링 분석결과 케이블의 중에서 열속의 녕가 한계치를 초과하는 부분은 다른 셀과 구분하여 색깔로 구분한 것이다.
방화지역에 대한 화재모델링을 수행하기 위하여 2.2 방화지역 화재모델링에서 언급된 정보와 자료를 조사 하여 실제 발생 가능한 화재시나리오를 작성하였다. 이후 화재시나리오의 특성별 다른 시나리오의 화재 현상 을 대표적으로 취급할 수 있는 3종류의 화재시나리오 를 최종적으로 결정하여 Table 2에 표시하였다.
85초가 경과한 시점부터 일부 케이블 부위에 손상 한계치의 열속이 가 해졌다. 열속을 줄일 수 있는 방법은 여러가지 있을 수 있으나 현실적이며 가장 유효한 방법인 액체가연물 인 오일 확산을 제한하는 방법을 적용하였다.
화재에 의한 영향을 평가하기 위한 항목들은 온도, 열속, 화염의 직접적인 접촉 등으로 대별할 수 있으며, 본 논문에서는 EPRI 1008239, ® NUREG-1805, 71 SFPE Handbook81 등에서 제공하는 값을 기준하였다. 단, 본 연구는 평가방법에 대한 결과의 경향을 분석하기 위한 목적이므로 이미 국제적으로 공인된 변수들의 평가기 준 및 분석방법들에 대해서는 별도 검증이나 타당성을 평가하지 않았다.

이론/모형

방화지역의 화재시 열적거동 및 시간에 따른 변수들 을 분석하기 위한 전산프로그램은 미국 국립표준연구소(NIST; National Institute of Standard and Technology) 에서 개발하여 공개한 FDS(Fire Dynamics Simulator, version 4.0.5) 및 열과 연기의 거동을 시각적으로 볼 수 있는 Smokeview5, (version 4.0)를 이용하였다. 전산 유체역학모델인 FDS는 저속 열적 거동을 Navier-Stokes 식에 의하여 수치해석을 하는 Hydrodynamic 모델, Mixture Fraction 연소 모델, Finite Volume Method를 응용한 Radiation Transport 모델로 구성되어있다.
0)를 이용하였다. 전산 유체역학모델인 FDS는 저속 열적 거동을 Navier-Stokes 식에 의하여 수치해석을 하는 Hydrodynamic 모델, Mixture Fraction 연소 모델, Finite Volume Method를 응용한 Radiation Transport 모델로 구성되어있다.

성능/효과

1차 모델링 결과, 열적 거동을 살펴보면 목표대상물 인 안전정지 관련 케이블에 대한 열적 손상원인은 열속(heat flux)이며 화재 발생후 약 36.85초가 경과한 시점부터 일부 케이블 부위에 손상 한계치의 열속이 가 해졌다. 열속을 줄일 수 있는 방법은 여러가지 있을 수 있으나 현실적이며 가장 유효한 방법인 액체가연물 인 오일 확산을 제한하는 방법을 적용하였다.
2kW/m2 정도로 유지되었으며 2차 화재 모델링 결과는 Table 6에 수록하였다. 본 화재구역은 상부 1사분면이 외기와 직접 접하며 2사분면은 환기용 그릴에 의하여 외기에 노출된 상태로서 가연물량 및 발화면적이 감소될 경우 열적영향이 크게 감소할 것이라고 판단된 결과를 보였다.
오일 드립 팬을 설치하여 오일확산면적을 줄이고 연 소량을 줄이는 설비개선의 결과 제한된 구간인 오일팬 상부에서 연소가 일어났으며, 이로 인하여 안전정지 관련 케이블 및 기기에 미치는 온도 및 열유속은 매우 낮은 상태로 유지되어 Target의 안전정지 관련 기능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
가연물을 줄이는 방법은 고온 증기배관의 표면과 보 온재에 누설된 오일을 별도의 누설오일 저장조에 배유 할 수 있도록 설비개선을 가정하였다. 이에 따라 1차 화재모델링에서 평가한 오일 누설량은 136리터였으나 설비개선후 오일 누설량은 약 16리터로 감소하여 누설 면적은 크게 감소하였다. 오일 누설량 감소에 따라 오 일확산면의 계산을 다음과 같은 기준에 따랐다.
본 논문에서는 전산유체역학 모델로서 미국 국립표 준연구서에서 개발한 FDS를 이용하여 원전 방화구역 의 위험성 분석을 위한 적용성을 평가하였다. 이의 결과 화재 시나리오별 온도, 열속, 화염접촉 등 화재로 인한 동적 영향을 평가할 수 있었으며 설비개선을 가 정한 상태에서도 화재위험 영향을 평가하여 개선안을 제시할 수 있었다. 또한 화재모델링에 의한 상세평가 에 의하여 정량적 화재위험분석방법인 Fire-PSA에서 요구하는 조건부 노심손상확률(CCDP) 값을 개선할 수 있는 논문9)이 발표되고 있는 등 원전 방화구역의 화재 위험 분석을 위한 화재모델링 기법은 앞으로 운영중인 원전뿐만 아니라 신규원전 및 계속운전을 계획하고 있는 국내외 원전에 폭넓게 적용될 수 있을 것이다.

후속연구

이의 결과 화재 시나리오별 온도, 열속, 화염접촉 등 화재로 인한 동적 영향을 평가할 수 있었으며 설비개선을 가 정한 상태에서도 화재위험 영향을 평가하여 개선안을 제시할 수 있었다. 또한 화재모델링에 의한 상세평가 에 의하여 정량적 화재위험분석방법인 Fire-PSA에서 요구하는 조건부 노심손상확률(CCDP) 값을 개선할 수 있는 논문9)이 발표되고 있는 등 원전 방화구역의 화재 위험 분석을 위한 화재모델링 기법은 앞으로 운영중인 원전뿐만 아니라 신규원전 및 계속운전을 계획하고 있는 국내외 원전에 폭넓게 적용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (9)

NRC, 10CFR50 Appendix R, 'Fire Protection Program'(1980)
NRC, 10CFR50.48, 'Fire Protection'(1980)
NRC, 10CFR50.12, 'Specific Exemptions'(1982)
NIST, FDS(Fire Dynamics Simulator) User's Guide (2005)
NIST, User's Guide for Smokeview; A Tool for Visualization Fire Dynamics Simulation Data(2004)
EPRI, EPRI/NRC-RES, 'Fire PRA Methodology for Nuclear Power Facilities'(2005)
NRC, Fire Dynamics Tools, 'Quantitative Fire Hazard Analysis Methods for the U.S. Nuclear Regulatory Commission Fire Protection Inspection Program'(2004)
SFPE, The SFPE Handbook of Fire Protection; 3rd Edition(2002)
이윤환, 양준언, 김종훈, 김운형, '화재모델 CFAST를 이용한 원전 화재구역의 CCDP 평가(II)', 한국화재소방학회 논문지, Vol. 19, No. 3, pp.20-27(2005)

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