[논문]국내 원자력발전소의 주제어실 화재 피난 리스크 평가를 위한 화재 시뮬레이션

강대일; 김길유; 장승철; 유성연

doi:10.14346/jkosos.2014.29.4.199

국내 원자력발전소의 주제어실 화재 피난 리스크 평가를 위한 화재 시뮬레이션
Fire Simulations for the Abandonment Risk Assessment of Main Control Room Fire in Domestic Nuclear Power Plant 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.29 no.4, 2014년, pp.199 - 207

강대일 (한국원자력연구원 종합안전평가부) , 김길유 (한국원자력연구원 종합안전평가부) , 장승철 (한국원자력연구원 종합안전평가부) , 유성연 (충남대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, to systematically assess the abandonment risk of main control room (MCR) fire, fire simulations with Fire Dynamics Simulator were performed and abandonment probabilities were estimated for the MCR bench-board fire of domestic reference nuclear power plant. The fire simulation scenarios performed in this study included propagating and non-propagating fires of the MCR bench-board, and the availability and unavailability of heating, ventilation, and air conditioning system (HVACS). The following results were obtained. First, temperature was the major abandonment impact factor for the MCR bench-board fire if the HVACS was available and optical density was that if the HVACS was unavailable. Second, the fire scenario contributing the MCR bench-board fire abandonment risk was identified to be only the propagating fire. Third, it was confirmed that the abandonment probability of the MCR bench-board fire for domestic reference nuclear power plant could be reduced by using the fire modeling.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 주제어실 화재 피난 리스크를 체계적으로 평가할 목적으로, FDS를 이용하여 국내 참조원전의 주제어실 벤치보드 화재 모델링을 수행하고 피난확률을 평가하였다. FDS를 이용하여 화재 시뮬레이션은 주제어실 벤치보드의 비전파 화재와 전파 화재를 고려하였고, HVAC의 운전 여부도 고려하였다.
본 연구에서는 위에서 언급한 기존 연구 제한사항을 개선하며, 주제어실 화재 피난 리스크를 체계적으로 평가할 목적으로, FDS를 이용하여 국내 참조원전의 주제어실 벤치보드 화재 모델링을 수행하고 피난확률을 평가하였다.
본 연구에서는 주제어실 벤치보드 화재로 인한 운전원 피난 리스크를 평가하기 위해, FDS를 이용해 화재 시뮬레이션을 수행하였다. FDS는 version 5.
에서는 주제어실 화재 피난 리스크 평가시 전파 화재 또는 비전파 화재 한가지만을 고려하였다. 본 연구에서는 화재전파 여부에 따른 화재시나리오를 파악하기 위해, Francisco Joglar 등¹²⁾와 NUREG/ CR-68505)의 연구를 토대로, 주제어실 화재 리스크 평가 논리를 Fig. 1처럼 제안하였다. Fig.

가설 설정

∙ 서로 대칭인 각 패널에서의 발화에 대한 화재 모델링 결과는 동일하다.
∙ 화재 발생 15분에 주제어실의 한 문은 소방대에 의해 열린다.
∙ 화재 성장율은 연소시간 제곱에 비례한다. 열방출율이 최고치에 도달하는 시간은 12분이고, 최고치 지속시간은 8분이며 감소시간은 19분이다.
∙ 화재 피난 리스크 평가에 기여하는 화재 시나리오는 전파화재 뿐이다.
본 연구에서 운전원의 위치는 Fig. 2에서 첫 번째 운전원 콘솔(operator console)과 발전부장 책상(shift supervisor desk) 사이에 있다고 가정하였다. 운전원의 위치에 따라 화재 모델링 분석 결과가 달라질 수 있다.
또 화재 발생위치에 따라 HVAC 이용가능 화재와 HVAC 이용불능 화재로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 기본적으로 HVAC 이용가능 경우에는 발화지점이 PM06 패널과 PM03 패널, HVAC이 이용불가능 경우에는 발화지점이 PM02 패널이라고 가정하였다. 벤치보드 피난확률을 정확히 계산하려면 모든 패널에서의 화재 발생을 각각 고려해 화재 모델링을 수행해야 한다.

제안 방법

본 연구에서는 시뮬레이션 시간을 고려해, 격자 크기를 15 cm로 선정하였다. FDS 이용시 격자 크기의 적절성에 대한 평가는, 특성 화재직경(characteristic fire diameter)에 대한 격자 크기의 비로 평가한다. 특성 지름을 D*, 격자 크기를 δx라고 할 경우 이전 화재모델링 확인과 검증 연구에서 사용했던 특성 화재직경에 대한 적정 격자 크기 비, D*/δx는 4에서 16이었다^{11, 14)}.
격자 크기 15 cm 선정의 타당성을 보이기 위해 HVAC 이용 가능한 PM06 전파화재에 대해, 격자 크기 10 cm, 20 cm 인 경우 화재 시뮬레이션을 수행하였다. 분석 대상은 Bin 12로 열 방출율이 1,028 kW일 경우이다.
하지만 FDS의 모델링 시간이 많이 소요되어 벤치보드의 대략적인 대칭적인 배치, 운전원 위치, 화재 발생시 HVAC 이용 가능성을 고려해 PM02, PM03, PM06 패널들을 발화지점으로 선정했다. 이들 3개의 벤치보드 패널의 모델링 결과를 이용해 보수적으로 다른 패널에서의 화재에 대한 피난확률을 추정하였다. 선정 발화지점 패널들의 화재 모델링 결과와 동일하다고 한 벤치보드 패널은 다음과 같다.
벤치보드 피난확률을 정확히 계산하려면 모든 패널에서의 화재 발생을 각각 고려해 화재 모델링을 수행해야 한다. 하지만 FDS의 모델링 시간이 많이 소요되어 벤치보드의 대략적인 대칭적인 배치, 운전원 위치, 화재 발생시 HVAC 이용 가능성을 고려해 PM02, PM03, PM06 패널들을 발화지점으로 선정했다. 이들 3개의 벤치보드 패널의 모델링 결과를 이용해 보수적으로 다른 패널에서의 화재에 대한 피난확률을 추정하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 주제어실 화재 피난 리스크를 체계적으로 평가할 목적으로, FDS를 이용하여 국내 참조원전의 주제어실 벤치보드 화재 모델링을 수행하고 피난확률을 평가하였다. FDS를 이용하여 화재 시뮬레이션은 주제어실 벤치보드의 비전파 화재와 전파 화재를 고려하였고, HVAC의 운전 여부도 고려하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다:
Fig. 1에 나타나 있듯이 분석 대상 화재 시나리오는, Fig. 2의 벤치보드 각각에서만 발생되는 단일 벤치보드 패널 화재와 한 벤치보드 패널 화재가 이웃 벤치보드 패널 로 전파되는 전파화재가 있다. 또 화재 발생위치에 따라 HVAC 이용가능 화재와 HVAC 이용불능 화재로 구분할 수 있다.
3과 4에는 FDS에 입력으로 사용된 벤치보드 비전파와 전파화재의 열 방출율이 각각 나타나 있다. 밴치보드 패널의 설계사항과 NUREG/CR-6850 supplement1¹⁶⁾을 토대로 패널에서의 화원 크기는 0.36 m2로, 화원 위치는 패널 높이 하단 30cm로 선정하였다. FDS의 입력에 사용되는 다른 데이터들은 참조원전 설계사항, NUREG/CR-6850^5,16), NUREG-1934¹¹⁾, SFPA Handbook¹⁸⁾을 토대로 선정하였다.
본 연구에서 사용한 주제어실 화재 운전원 피난조건은 NUREG/CR-6850⁵⁾이다. 기존 다른 연구자 일부^7,10) 는 온도 피난조건으로 50℃를 사용하였지만 SFPE Handbook¹⁸⁾에서는 건조공기 110℃에서 최대 거주 가능 시간이 25분이라고 보고하였다.
FDS는 Navier-Stokes 방정식을 수치적으로 풀 때 근사 해(approximate solution)를 사용하므로 격자(grid) 크기 선정이 매우 중요하다^{11, 14)}. 본 연구에서는 시뮬레이션 시간을 고려해, 격자 크기를 15 cm로 선정하였다. FDS 이용시 격자 크기의 적절성에 대한 평가는, 특성 화재직경(characteristic fire diameter)에 대한 격자 크기의 비로 평가한다.
분석 대상 참조원전 주제어실 크기는 가로 21.4 m, 세로 18.4 m, 높이 3.6 m이고 바닥과 천정의 재질은 석고보드이며 벽의 재질은 주로 콘크리이트이다²⁰⁾. Fig.
격자 크기 15 cm 선정의 타당성을 보이기 위해 HVAC 이용 가능한 PM06 전파화재에 대해, 격자 크기 10 cm, 20 cm 인 경우 화재 시뮬레이션을 수행하였다. 분석 대상은 Bin 12로 열 방출율이 1,028 kW일 경우이다. 전체 격자셀(cell)수는 각각 격자 크기 10 cm인 경우 1,417,536, 15 cm인 경우 408,960, 20 cm인 경우 173,340이다.

이론/모형

36 m2로, 화원 위치는 패널 높이 하단 30cm로 선정하였다. FDS의 입력에 사용되는 다른 데이터들은 참조원전 설계사항, NUREG/CR-6850^5,16), NUREG-1934¹¹⁾, SFPA Handbook¹⁸⁾을 토대로 선정하였다. Table 3에 연소관련 입력 데이터들이 나타나 있다.
기존 다른 연구자 일부^7,10) 는 온도 피난조건으로 50℃를 사용하였지만 SFPE Handbook¹⁸⁾에서는 건조공기 110℃에서 최대 거주 가능 시간이 25분이라고 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 NUREG/CR-6850의 온도 피난조건을 그대로 사용하였다. 다음 조건 중 하나가 만족이면 운전원은 주제어실을 떠나야 한다:
열방출율 크기는 Table 1의 각 빈(bin)을, 화재 성장과 지속시간, 그리고 소멸시간은 NUREG-1934¹¹⁾를 토대로 선정하였다. Fig.
식 (1)의 주제어실 화재로 인한 노심손상빈도 평가를 위해서는 점화빈도, 피난확률과 더불어 조건부 노심손상 확률을 계산해야 한다. 조건부 노심손상 확률은 안전관련 기기 이용불능도와 운전원의 원격 정지반(RSP) 이동시간과 기기 작동시간 등을 고려한 인적오류 확률(human error propability) 평가¹⁷⁾를 통해 이루어진다.

성능/효과

운전원 피난을 유발하는 최소 열방출율은 PM06 패널 경우 빈 14인 1,208 kW이고 피난조건도달시간은 732초로 나타났다. PM03 패널 최소 열방출율은, 빈 13인 1,118 kW이고 피난조건 도달시간은 1022초로 나타났다. 최단 피난조건 도달시간은 PM06패널에서는 657초, PM03 패널에서는 742초로 나타났다.
∙ 최단 피난조건 도달시간은 HVAC 이용불능인 경우보다 이용가능한 경우가 짧게 나타났고, 화재 전파 유.무와는 차이가 없었다.
∙ 최소 피난 유발 열방출율 빈(bin)은 HVAC 이용가능한 경우보다 이용불능한 경우가, 비전파 화재인 경우보다 전파 화재인 경우가 작게 나타났다.
5E-4의 37%이다. 결과적으로 국내 참조원전의 주제어실 화재 피난 확률은 화재 모델링을 통해 약 63% 감소되었다.
Table 6에 전파와 비전파 화재에 대한 특성 화재직경에 대한 격자 크기 비가 15 cm, 20 cm, 10 cm에 대해나타나 있다. 본 연구에서 사용된 격자 크기 15 cm는 비 전파 화재는 빈 5~15가, 전파화재는 빈 2~15가 적정 특성 화재직경 대한 격자 크기 비 4~16을 만족시킨다. 하지만, Table 4의 빈 2~4는 만족시키지 못한다.
최단 피난조건 도달시간은 PM06패널에서는 657초, PM03 패널에서는 742초로 나타났다. 비전파화재에서 HVAC이 이용불가능한 PM02 패널에서의 화재시, 운전원 피난에 대한 주요 영향인자는 광학밀도로 나타났다. 운전원 피난을 유발하는 최소 열방출율은 빈 2인 130 kW이고 이때의 피난조건도달시간은 1,670초로 나타났다.
비전파 화재에서 HVAC이 이용가능한 PM06 패널과 PM03패널에서의 화재시, 운전원 피난 주요 인자는 온도로 나타났다. 운전원 피난을 유발하는 최소 열방출율은 PM06 패널 경우 빈 14인 1,208 kW이고 피난조건도달시간은 732초로 나타났다. PM03 패널 최소 열방출율은, 빈 13인 1,118 kW이고 피난조건 도달시간은 1022초로 나타났다.
무와 무관하게 HVAC이 이용가능한 경우에는 온도가 주요 피난 영향인자이고, HVAC이 이용불능인 경우에는 광학밀도가 주요 피난 영향인자이다. 최소 피난 유발 열방출율 빈은 HVAC 이용불능한 경우가 이용가능한 경우보다, 비전파 화재인 경우보다 전파 화재인 경우가 작게 나타났다. 최단 피난조건 도달시간은 HVAC 이용가능한 경우가 이용불능인 경우보다 짧게 나타났고, 화재 전파 유.
화재 피난 확률은 화재 시뮬레이션을 수행하여 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자력발전소가 안전성을 확보하기 위해 가지고 있는 개념은?	원자력발전소(이하 원전)는 안전성을 확보하기 위한 수단으로 다중성(redundancy)과 다양성(diversity)의 설계 개념을 가지고 있다1) . 다중성 설계란 단일 기기의 고장에 대비해 동일 기능을 하는 기기들을 2대 이상 배치하는 것을 말한다.
	다중성 설계란?	원자력발전소(이하 원전)는 안전성을 확보하기 위한 수단으로 다중성(redundancy)과 다양성(diversity)의 설계 개념을 가지고 있다1) . 다중성 설계란 단일 기기의 고장에 대비해 동일 기능을 하는 기기들을 2대 이상 배치하는 것을 말한다. 다양성 설계는 기기들의 형태를 서로 다르게 하는 것이다.
	원전의 주제어실에서 화재는 어떤 문제를 발생시키는가?	원전의 주제어실(main control room)은 원전의 정상운전과 비상운전시 운전원이 상주하며 원전을 운전해야 하기에, 발전소의 운전과 안전에 필요한 모든 계통들의 제어/계측과 관련된 기기들이 주제어실 벤치보드(bench-board)와 전기 캐비닛에 배치되어 있다. 따라서 주제어실내에서 화재는 원전의 안전성을 확보하기 위한 다중성과 다양성의 설계 개념을 무력화시켜 원전의 안전에 커다란 위협요인이 될 수 있다. 주제어실 화재 발생 등으로 인해, 운전원이 주제어실에 거주하지 못하거나 원전을 안전정지 못하면 운전원은 주제어실 피난을 대비해 설계된 원격정지 제어반(remote shutdown pannel: RSP)에서 원전을 안전정지 시킨다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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