[논문]민감도 분석을 이용한 원전 주제어실의 케비닛 화재에 대한 거주성 평가

한호식; 이재오; 황철홍; 김주성; 이상규

doi:10.7731/kifse.2017.31.2.052

민감도 분석을 이용한 원전 주제어실의 케비닛 화재에 대한 거주성 평가
Assessment of the Habitability for a Cabinet Fire in the Main Control Room of Nuclear Power Plant using Sensitivity Analysis 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.2, 2017년, pp.52 - 60

한호식 (대전대학교 소방방재학과) , 이재오 (대전대학교 소방방재학과) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과) , 김주성 (한국원자력안전기술원 계통평가실) , 이상규 (한국원자력안전기술원 계통평가실)

초록
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NUREG-1934에서 제시된 원자력발전소 주제어실의 케비닛 화재를 대상으로 운전원의 거주성을 평가하기 위하여 수치해석이 수행되었다. 이를 위해 본 연구에서는 대표적인 화재모델인 FDS가 사용되었다. 운전원의 거주성을 결정하는 기준으로서 복사 열유속, 상층부 온도, 연층높이 및 연기의 광학밀도뿐만 아니라, CO 등과 같은 독성물질의 농도가 포함되었다. 주요 결과로서, 화재모델의 확인 및 검증(V&V) 기반의 주요 입력인자 민감도 및 모델 불확실도 분석을 통해 다양한 화재시나리오에 대하여 거주성 기준의 초과 확률 및 거주 가능시간이 산출되었다. 최대 열방출률, CO 및 Soot yields의 민감도 분석을 통해, 거주시간 뿐만 아니라 거주성을 결정하는 한계기준의 변화가 발생됨을 확인하였다. 이러한 방법론은 불확실한 케비닛 화재정보를 이용한 주제어실의 거주성 평가의 신뢰성 강화를 위한 현실적인 대안이라 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical simulations were performed to evaluate the habitability of an operator for a cabinet fire in the main control room of a nuclear power plant presented in NUREG-1934. To this end, a Fire Dynamics Simulator (FDS), as a representative fire model, was used. As the criteria for determining the habitability of operator, toxic products, such as CO, were also considered, as well as radiative heat flux, upper layer temperature, smoke layer height, and optical density of smoke. As a result, the probabilities of exceeding the criteria for habitability were evaluated through the sensitivity analysis of the major input parameters and the uncertainty analysis of fire model for various fire scenarios, based on V&V (Verification and Validation). Sensitivity analyses of the maximum heat release rate, CO and soot yields, showed that the habitable time and the limit criterion, which determined the habitability, could be changed. The present methodology will be a realistic alternative to enhancing the reliability for a habitability evaluation in the main control room using uncertain information of cabinet fires.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Comparison of Criteria for the Habitability in MCR between NUREG/CR-6850 and Domestic PBD Standard
그림 Figure 1. Computational domain for the main control room (MCR).
그림 Figure 2. Fire growth curve for the cabinet fire.
표 Table 2. Combustion Properties of XPE/neoprene Cables
그림 Figure 3. Results of grid sensitivity analysis.
표 Table 3. Fire Scenario and Additional Considerations
그림 Figure 4. Time history of parameters related to habitability with the change in ACH.
그림 Figure 5. Time history of species concentrations with the change in ACH.
그림 Figure 6. Time history of radiative heat fluxes with the changes in fire location and ACH.
그림 Figure 7. Habitable times with sensitivity analysis of major parameters under the conditions of L1 and 0 ACH.
표 Table 4. Summary of the Probability of Exceeding the Critical Values for the Habitability in MCR

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 NUREG-1934에서 제시된 원전 주제어실의 케비닛 화재를 대상으로 운전원의 거주성을 평가하기 위하여 FDS를 이용한 화재시뮬레이션이 수행되었다. 운전원의 거주성을 보다 구체적으로 평가하기 위하여, 기존의 복사 열유속, 상층부 온도, 연층높이 및 연기의 광학밀도의 기준뿐만 아니라, CO 등과 같은 독성물질의 기준이 포함되었다.
이러한 배경 하에, 본 연구에서는 NUREG-1934에서 제시된 원전 주제어실의 케비닛 화재를 대상으로, 화재시뮬레이션을 통한 운전원의 거주성을 평가하였다. 이때 거주성의 기준은 기존 NUREG/CR-6850에 제시된 복사 열유속, 상층부 온도, 연층높이, 연기의 광학밀도뿐만 아니라, 국내 ｢소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준｣에 제시된 화학종의 농도(체적분율)를 동시에 고려하였다.
7 m)에 있으며, 중간에 위치한 캐비닛으로 인하여 화염으로부터의 직접적인 복사열이 차단될 수 있다. 이에 보다 보수적인 관점에서 거주성의 열적 기준을 평가하기 위하여, 운전원에 근접한 화원위치 L2에 대한 영향을 검토하였다. 그림에는 공기 순환률 0과 25 ACH의 결과를 동시에 도시하였다.

가설 설정

2 m (z)의 내부 체적을 갖는 주제어실의 단면 형상을 나타낸 것으로서, 다수의 케비닛과 테이블이 배치되어있다. 화재는 제어용 케비닛 내부의 전기 케이블에서 발생된 것으로 가정되었으며, 운전원(Operator) 위치를 기준으로 좌측(L1)에 화원이 위치하는 것으로 가정되었다. 공조환기설비는 상부에 설치된 6개의 흡기구(Inlet)와 2개의 배기구(Outlet)로 구성되며, 정상조건에서 5 ACH (Air Changes per Hour)의 공기가 공급 및 배출된다.

제안 방법

구체적으로, ASET의 기준 물리량에 큰 변화를 초래할 수 있는 화재시뮬레이션 주요 입력인자인 최대 열발생률, 화재성장률, 연소열, CO yield(yCO ) 및 Soot yields(ysoot)의 불확실도가 ASET에 미치는 영향을 검토하였다.
이에 대한 정량적 수치는 Table 1에 제시되었다. 독성농도를 포함한 ASET의 기준에 도달하는 거주 가능시간의 평가를 위하여, 이들과 연관된 화재시뮬레이션 주요 입력인자들의 민감도 분석을 수행하였다. 이러한 방법론을 통한 운전원의 거주성 평가결과는 원전 주제어실의 비상대피설계 및 안전관리를 위한 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
운전원의 거주성을 보다 구체적으로 평가하기 위하여, 기존의 복사 열유속, 상층부 온도, 연층높이 및 연기의 광학밀도의 기준뿐만 아니라, CO 등과 같은 독성물질의 기준이 포함되었다. 또한 거주성 기준에 영향을 주는 화재시뮬레이션의 주요 입력인자에 대한 민감도 분석을 통해 주제어실 거주성 평가에 대한 신뢰성을 개선하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
공기 순환률, 화원의 위치변화에 대한 화재시나리오 및 y_CO와 y_soot 변화에 따른 결과가 Table 4에 제시되었다. 민감도 분석을 위한 화재조건은 거주성 기준이 초과되는 화원위치 L1과 0 ACH이 고려된 조건에서 수행되었다. 열발생률의 변화에 따른 영향은 이미 15%의 불확실도에 대한 민감도 분석과정에서 포함되었기에, 거주성 기준 초과확률은 개별적으로 고려하지 않았다.
본 연구에서는 NUREG-1934에서 제시된 원전 주제어실의 케비닛 화재를 대상으로 운전원의 거주성을 평가하기 위하여 FDS를 이용한 화재시뮬레이션이 수행되었다. 운전원의 거주성을 보다 구체적으로 평가하기 위하여, 기존의 복사 열유속, 상층부 온도, 연층높이 및 연기의 광학밀도의 기준뿐만 아니라, CO 등과 같은 독성물질의 기준이 포함되었다. 또한 거주성 기준에 영향을 주는 화재시뮬레이션의 주요 입력인자에 대한 민감도 분석을 통해 주제어실 거주성 평가에 대한 신뢰성을 개선하였다.
운전원의 거주성을 확보할 수 있는 최소 급배기유량을 확인하기 위하여, 화재 발생 이후 적용되는 공기 순환률(ACH)은 0∼25 ACH까지 단계적으로 변화되었다.
원전 주제어실의 케비닛 화재를 대상으로 운전원의 거주성을 평가하기 위하여, Table 1에 제시된 기준을 초과하는 시간에 대한 화재시뮬레이션 주요 입력인자의 민감도 분석이 수행되었다. 거주성 기준으로서 NUREG/CR-6850에 제시된 복사 열유속, 상층부 온도, 연층높이, 광학밀도와 국내 성능위주설계(PBD)의 인명 안전기준에 적용되는 O₂, CO₂ 및 CO 체적분율이 동시에 고려되었다.
이러한 배경 하에, 본 연구에서는 NUREG-1934에서 제시된 원전 주제어실의 케비닛 화재를 대상으로, 화재시뮬레이션을 통한 운전원의 거주성을 평가하였다. 이때 거주성의 기준은 기존 NUREG/CR-6850에 제시된 복사 열유속, 상층부 온도, 연층높이, 연기의 광학밀도뿐만 아니라, 국내 ｢소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준｣에 제시된 화학종의 농도(체적분율)를 동시에 고려하였다. 이에 대한 정량적 수치는 Table 1에 제시되었다.
일반적으로 열발생률이 주요 화재특성치의 예측 불확실도에 가장 큰 영향을 미친다고 알려져 있다⁽¹⁸⁾. 이에 본 연구에서는 적용된 #의 불확실도에 따른 주요 물리량의 거듭제곱 의존도(Power dependence)를 산출하기 위한 반복계산을 수행하였으며, 최종 15%의 불확실도가 고려된 #의 의존도가 반영된 기준 물리량을 산출하였다. 민감도 분석에 관한 보다 자세한 내용은 선행연구⁽¹⁹⁾에서 확인될 수 있다.
이에 화원의 위치(L2)를 운전원 근처에 추가적으로 설정하여, 보다 보수적인 운전원의 열적 위험성을 검토하였다.
참고로 공기 순환률의 정의는 공조환기설비에 의해 시간당 공급되는 체적유량(m³/h)를 구획체적(m³)으로 나눈 값을 의미한다. 화재발생 10 s 후에 공조환기설비가 수동으로 작동정지 또는 25 ACH의 급배기 조건이 적용되는 2가지의 시나리오가 적용되었다. 출입구는 닫혀있으며, 하단부에 0.

대상 데이터

0 m)에서 예측된 기체온도를 비교· 도시한 것이다. 격자 크기변화에 따른 온도 변화 및 계산의 효율성을 고려하여 최종 0.15 m 격자크기가 선정되었다. 이는 D* 내에 약 5.
실제 화재는 케비닛(h=2.4 m) 내부의 전기 케이블(XPE/neoprene)에서 발생되지만, 화원은 화염 및 배기가스가 배출되는 케비닛 측면상단 0.3 m 아래에 위치한 0.6 m (폭) × 0.2 m (높이) 크기의 통풍구에 설정되었다.

데이터처리

화재모델의 검증 및 확인(Verification and Validation, V&V)결과(20)를 통해 각 물리량의 편향인자(δ)와 상대표준편차(# )를 적용하여, 다양한 화재시나리오 및 주요 입력인자의 변화량에 따른 거주성 기준의 초과확률을 산출하였다(21).

이론/모형

2)⁽¹¹⁾가 적용되었다. Large Eddy Simulation (LES) 기법이 적용된 FDS의 아격자 난류유동 및 연소모델로는 Deardorff 모델과 EDC (Eddy Dissipation Concept) 모델이 각각 적용되었다. FDS의 수치기법 및 모델에 대한 보다 상세한 내용은 참고문헌⁽¹²⁾에서 확인될 수 있다.
거주성 기준으로서 NUREG/CR-6850에 제시된 복사 열유속, 상층부 온도, 연층높이, 광학밀도와 국내 성능위주설계(PBD)의 인명 안전기준에 적용되는 O₂, CO₂ 및 CO 체적분율이 동시에 고려되었다. 화재모델로는 대표적 Field 모델인 FDS (Fire Dynamics Simulator, version 6.1.2)⁽¹¹⁾가 적용되었다. Large Eddy Simulation (LES) 기법이 적용된 FDS의 아격자 난류유동 및 연소모델로는 Deardorff 모델과 EDC (Eddy Dissipation Concept) 모델이 각각 적용되었다.

성능/효과

(1) NUREG-1934에 제시된 원전 주제어실 케비닛 화재를 대상으로 공기 순환률에 따른 거주성을 평가한 결과, 화재 발생 이후 구획 체적당 공기 순환률(ACH)이 최소 5 ACH 이상으로 유지되면 열적 기준, 호흡한계선 및 광학밀도의 기준을 초과하지 않는 것으로 예측되었다. 화염으로 인한 직접적인 복사 열유속의 위험성을 고려하기 위하여, 운전원 근처로 화원위치를 변경한 경우 급배기 유무와 상관없이 복사 열유속에 의한 거주성 기준이 초과되는 것으로 예측되었다.
(2) 화재시뮬레이션 입력변수의 민감도 분석 및 화재모델의 불확실도가 반영된 거주성 기준의 초과확률을 살펴보면, 검토된 화재조건에서 공조환기설비가 정지된 경우에 연기의 광학밀도(또는 가시도), O₂ 및 CO에 의한 거주성 기준의 초과확률이 100%로 확인되었다.
(3) 화재시뮬레이션 주요 입력변수에 해당되는 최대 열방출률, CO 및 Soot yields의 변화에 대한 민감도 분석을 통해, 거주시간 뿐만 아니라 거주성을 결정하는 한계기준의 변화가 발생됨을 확인하였다. 이러한 방법론은 불확실한 케비닛 화재 특성치를 이용한 주제어실의 거주성 평가의 신뢰성 강화를 위한 현실적인 대안이라 판단된다.
검토된 화재시나리오 및 주요 입력인자의 변화에 대한 수치결과를 활용하여 2.3절에 언급된 열발생률 불확실도에 대한 민감도 분석 및 화재모델의 불확실도 분석의 과정을 통해 최종 거주성 기준을 초과할 수 있는 확률이 산출되었다. 공기 순환률, 화원의 위치변화에 대한 화재시나리오 및 y_CO와 y_soot 변화에 따른 결과가 Table 4에 제시되었다.
4 m)에 의해 화염으로부터의 직접적인사 열유속이 차단된다. 그 결과 운전원에 미치는 복사 열유속은 화염이 아닌 주로 고온 연층으로부터 공급되는 것임을 알 수 있다. Figure 4(c)의 연층 높이를 살펴보면, 공기순환률이 증가됨에 따라 바닥면으로부터의 연층 높이는 증가된다.
특히 원전의 대표적 화재시나리오에 해당되는 케비닛 내부의 케이블 화재는 케이블의 종류 및 설치형태 그리고 환기조건에 따라 최대 열발생률, 화재성장률 그리고 y_CO와 y_soot등의 상당한 변화가 동반될 수 있다^(9,10). 그 결과 화재시뮬레이션의 물리적 입력정보는 상당한 불확실성을 갖게 되며, 동시에 주제어실의 거주성에 대한 평가결과 역시 큰 오차를 갖을 수 있다.
공조환기설비의 유량조건은 0∼25 ACH의 범위에서 변화되었다. 먼저 복사 열유속과 상층부의 온도를 살펴보면, 공기 순환률이 증가됨에 따라 운전원의 위치에서 복사 열유속 및 상층부 온도가 점차적으로 감소됨을 볼 수 있다. 또한 모든 조건에서 Table 1에 제시된 거주성의 열적 기준(1 kW/m², 95 ℃)을 초과하지 않는다.
참고로, L2의 조건에서 급배기 유무에 따른 상층부 온도, 연층높이, 광학밀도 및 화학종의 체적분율의 변화는 L1에서의 결과와 유사한 경향이 발견되었다. 위 결과로부터, 주제어실 운전원의 거주성 평가를 위한 복사 열유속 기준은 화원의 위치에 따라 크게 변경됨을 확인하였다.
Vigne 와 Wegrzynski⁽⁸⁾는 y_soot의 변화가 가시도에 미치는 영향 및 ASET의 변화를 검토하였다. 이러한 방법론의 적용은 제한된 문헌정보를 기반으로 수행되는 화재시뮬레이션 결과의 불확실성을 개선시킬 수 있으며, 궁극적으로 주제어실 운전원 거주성 평가에 보다 큰 신뢰를 제공할 수 있다. 특히 원전의 대표적 화재시나리오에 해당되는 케비닛 내부의 케이블 화재는 케이블의 종류 및 설치형태 그리고 환기조건에 따라 최대 열발생률, 화재성장률 그리고 y_CO와 y_soot등의 상당한 변화가 동반될 수 있다^(9,10).
Figure 4(d)의 연기 광학밀도를 살펴보면, 연층 높이와 유사하게 0 ACH의 조건에서만 720 s에 거주성 기준(3 m^-1)를 초과하는 것으로 확인된다. 즉, 본 계산에고려된 급배기 덕트, 화원 및 운전원의 위치 조건에서는 최소 5 ACH 이상의 공기 순환률이 유지되면 열적 기준, 호흡한계선 및 광학밀도의 기준을 초과하지 않아 운전원의 거주가 가능한 것으로 예측된다.
이때 화재 시 거주성에 대한 다음의 2개의 기준 중에 1개라도 발생되면 운전원은 거주할 수 없다. 첫째, 바닥면으로부터의 높이 1.8 m의 운전원 위치에서 피부에 통증을 유발할 수 있는 최소량인 1 kW/m²의 열유속이 입사되는 조건이다. 이 복사 열유속에 해당되는 상층부의 온도는 대략적으로 95 ℃에 해당된다.
열발생률의 증가에 따라 O₂ 체적분율의 기준에 의한 거주 가능시간은 급격하게 감소되며, 다른 기준들에 의한 거주시간 역시 점차적으로 감소되는 경향이 확인된다. 최종 거주가능시간을 결정짓는 한계 물리량인 연기의 광학밀도를 살펴보면, Q_max이 85%에서 115%로 증가될 때 거주 가능시간은 765 s에서 690 s로 감소되며, 이들의 차이는 약 75 s에 해당된다. Figure 7(b)는 y_CO의 변화에 따른 거주시간을 도시한 것으로서, y_CO의 증가에 따른 CO 체적분율의 기준에 의한 거주 가능시간은 급격하게 감소된다.
(1) NUREG-1934에 제시된 원전 주제어실 케비닛 화재를 대상으로 공기 순환률에 따른 거주성을 평가한 결과, 화재 발생 이후 구획 체적당 공기 순환률(ACH)이 최소 5 ACH 이상으로 유지되면 열적 기준, 호흡한계선 및 광학밀도의 기준을 초과하지 않는 것으로 예측되었다. 화염으로 인한 직접적인 복사 열유속의 위험성을 고려하기 위하여, 운전원 근처로 화원위치를 변경한 경우 급배기 유무와 상관없이 복사 열유속에 의한 거주성 기준이 초과되는 것으로 예측되었다.
화원위치가 L1인 조건에서, 공조환기설비가 정지된 0 ACH의 경우 열적 기준(상층부 온도 및 복사 열유속)을 초과할 확률은 0이지만, 광학밀도, O₂ 및 CO 기준을 초과할 확률은 100%로 확인되었다. 공기 순환률이 5 ACH의 경우의 Figure 4(d)에서 확인되듯이 광학밀도는 기준값을 초과하지는 않았으나, 민감도 및 불확실도 분석을 통해 산출된 초과확률은 46%에 해당된다.

후속연구

국내에서도 최근 Kim 등⁽⁵⁾에 의해 이러한 기준을 근거로 신형 원전의 주제어실 화재 시공조환기설비의 운전방식이 거주성에 미치는 영향에 관한 화재시뮬레이션이 수행되었다. 그러나 운전원의 화재안전성을 평가하기 위해서는 기존의 열, 연기로 인한 호흡한계선 및 가시도의 기준뿐만 아니라, 화재로 인한 독성물질의 위험성이 동시에 고려된다면 보수적인 관점에서 운전원 거주성 평가의 신뢰성이 보다 강화될 것이다. 비록 원전의 주 제어실에는 독성가스방호에 관한 충분한 설비와 장비가 구축되어있다 하더라도, 화재 시 주제어실의 기능 및 운전원의 역할에 대한 중요성을 고려할 때 이러한 접근방법은 충분한 가치가 있다고 판단된다.
4 m 이하의 가시도(Visibility)를 갖는 상황이다. 이들 2가지 기준에 포함된 연층의 높이, 열유속, 상층부 온도 그리고 연기의 광학적 밀도(또는 가시도)에 대한 세부 기준의 독립적 적용은 주제어실 운전원의 거주성에 대한 보다 보수적인 평가가 될 것이다. NUREG/CR-6850에 제시된 운전원의 거주성에 관한 세부적인자는 Table 1에 요약되었다.
독성농도를 포함한 ASET의 기준에 도달하는 거주 가능시간의 평가를 위하여, 이들과 연관된 화재시뮬레이션 주요 입력인자들의 민감도 분석을 수행하였다. 이러한 방법론을 통한 운전원의 거주성 평가결과는 원전 주제어실의 비상대피설계 및 안전관리를 위한 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NUREG-1934란 무엇인가?	원전의 화재위험성 평가 및 화재 대응체계 구축방안으로 미국 화재방호협회에 의한 성능기반 화재방호기준(NFPA 805)(2)을 시작으로 최근 수학적 화재모델을 통한 화재위험성 평가가 진행되고 있다. 대표적으로 미국 원자력규제위원회(NRC)와 전력연구소(EPRI)에 의해 발표된 NUREG-1934(3)는 화재모델의 코드 적용 지침서로서국내 · 외적으로 원전 화재모델링 적용의 기준안으로 평가되고 있다.
	원전 주제어실에 필수적으로 요구되는 능력은 무엇인가?	원자력발전소(원전) 화재는 원자로 정지를 유발함과 동시에 안전정지 또는 사고 완화기능을 수행하는 다수 기기를 동시에 손상시킬 수 있으며, 방사능 유출과 같은 심각한 사고로 발전될 잠재적 위험성을 갖고 있다(1). 이에 원전 주제어실에는 화재 발생 시 원자로를 안전한 상태로 유지하거나 안전정지 기능관련 계통 및 기기가 상실되더라도, 발전소를 안전하게 정지시킬 수 있는 능력이 필수적으로 요구된다. 특히 원전 주제어실의 충분한 화재안전대처능력을 확보하기 위해서는 우선적으로 화재 시 운전원의 거주성(Habitability)에 대한 충분한 검토가 선행되어야 한다.
	운전원의 거주 가능 여부를 판단하는 거주성에 대한 두 가지 기준은 무엇인가?	이때 화재 시 거주성에 대한 다음의 2개의 기준 중에 1개라도 발생되면 운전원은 거주할 수 없다. 첫째, 바닥면으로부터의 높이 1.8 m의 운전원 위치에서 피부에 통증을 유발할 수 있는 최소량인 1 kW/m2의 열유속이 입사되는 조건이다. 이 복사 열유속에 해당되는 상층부의 온도는 대략적으로 95 ℃에 해당된다. 둘째, 연층이 수직높이 1.8 m 이하로 하강하고 연기의 광학적 밀도(Optical density)가 0.3 m-1 이하가 되는 조건이다. 이는 운전원이 빛을 반사하는 물체에 대하여 약 0.

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C. H. Hwang, C. H. Park, G. H. Ko and A. Lock, "An Experimental Study on Relationship Between Global Equivalence Ratio and Fire Characteristics in Full-scale Compartment Fires", Journal of the Korean Society of Combustion, Vol. 15, No. 3, pp. 32-39 (2010).
S. Ukleja, "Production of Smoke and Carbon Monoxide in Underventilated Enclosure Fires", Ph.D. Thesis, Design and Built Environment of the University Ulster, (2012).

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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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