가속열화에 따른 비안전등급 케이블의 독성특성에 관한 실험적 연구 Experimental Study on the Toxicity Characteristics of Non-Class 1E Cables according to Accelerated Deterioration원문보기
본 연구에서는 원자력발전소용 비안전등급케이블 2종(보안상 A사, B사로 지칭키로 함)을 대상으로 가속열화 기간에 따른 독성 특성을 분석하였다. NES 713 시험장비 및 규격에 의거하여 비노화, 20년, 40년으로 가속열화한 케이블에 대해 피복재 및 절연재로 구분하여 시험하였다. 시험결과 20년, 40년 가속열화 케이블의 독성지수가 비노화 케이블의 독성지수보다 높았으며 A, B사 케이블 공통적으로 20년 가속열화 케이블에서의 독성지수가 높게 산출되었다. 이는 급증한 일산화탄소의 방출량과 더불어 염화수소와 브롬화수소의 할로겐계 가스 방출량이 높은 것이 주된 원인으로 파악되었다. 또한, 피복재와 절연재를 구분하여 분석 시 A, B사 케이블 일부 피복재의 독성지수가 높게 나타났다. 또한, 피복재와 절연재의 독성지수를 구체적으로 분석하고자 미국 국방성 규격인 MIL-DTL을 적용하여 독성지수 허용치 초과 여부를 판단하였으며, 이 중 절연재의 경우 상당량 초과하여 방출되는 결과를 보였다.
본 연구에서는 원자력발전소용 비안전등급케이블 2종(보안상 A사, B사로 지칭키로 함)을 대상으로 가속열화 기간에 따른 독성 특성을 분석하였다. NES 713 시험장비 및 규격에 의거하여 비노화, 20년, 40년으로 가속열화한 케이블에 대해 피복재 및 절연재로 구분하여 시험하였다. 시험결과 20년, 40년 가속열화 케이블의 독성지수가 비노화 케이블의 독성지수보다 높았으며 A, B사 케이블 공통적으로 20년 가속열화 케이블에서의 독성지수가 높게 산출되었다. 이는 급증한 일산화탄소의 방출량과 더불어 염화수소와 브롬화수소의 할로겐계 가스 방출량이 높은 것이 주된 원인으로 파악되었다. 또한, 피복재와 절연재를 구분하여 분석 시 A, B사 케이블 일부 피복재의 독성지수가 높게 나타났다. 또한, 피복재와 절연재의 독성지수를 구체적으로 분석하고자 미국 국방성 규격인 MIL-DTL을 적용하여 독성지수 허용치 초과 여부를 판단하였으며, 이 중 절연재의 경우 상당량 초과하여 방출되는 결과를 보였다.
This study investigates the toxicity characteristics of two Non-Class 1E Cables (For security reasons, we refer to company A and company B) used in nuclear power plants according to the accelerated deterioration period. In accordance with NES 713 test equipment and standards, tests were carried out ...
This study investigates the toxicity characteristics of two Non-Class 1E Cables (For security reasons, we refer to company A and company B) used in nuclear power plants according to the accelerated deterioration period. In accordance with NES 713 test equipment and standards, tests were carried out on non-aged cables and the cables subjected to 20- and 40-year-accelerated-deterioration; each of the cables was further classified into sheath and insulation. The test results showed that the toxicity indices of 20- and 40-year-accelerated-aged cables were higher than those for the non-aged cables, and 20-year-aged cables of both A and B companies showed the highest toxicity indices. This is attributed to the extensive emissions of carbon monoxide and halide gases such as hydrogen chloride and hydrogen bromide. Furthermore, to analyze the toxicity indices of sheath and insulation in detail, the US Department of Defense standard (MIL-DTL) was applied to determine whether the Toxicity index (T.I.) allowance was exceeded, and the results showed that the insulating materials emitted considerably more than the allowable limit.
This study investigates the toxicity characteristics of two Non-Class 1E Cables (For security reasons, we refer to company A and company B) used in nuclear power plants according to the accelerated deterioration period. In accordance with NES 713 test equipment and standards, tests were carried out on non-aged cables and the cables subjected to 20- and 40-year-accelerated-deterioration; each of the cables was further classified into sheath and insulation. The test results showed that the toxicity indices of 20- and 40-year-accelerated-aged cables were higher than those for the non-aged cables, and 20-year-aged cables of both A and B companies showed the highest toxicity indices. This is attributed to the extensive emissions of carbon monoxide and halide gases such as hydrogen chloride and hydrogen bromide. Furthermore, to analyze the toxicity indices of sheath and insulation in detail, the US Department of Defense standard (MIL-DTL) was applied to determine whether the Toxicity index (T.I.) allowance was exceeded, and the results showed that the insulating materials emitted considerably more than the allowable limit.
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문제 정의
이며, 특히 케이블은 원전가동 중 교체가 어려워 열화관리가 더욱 중요시 된다. 그럼에도 불구하고, 국내에는 케이블의 내용연수에 대한 연소 배출가스의 독성에 대한 명확한 기준이 마련되어있지 않기 때문에(4), 본 연구를 통하여 케이블의 열화정도에 따른 화재시 발생하는 가스의 독성을 파악하고, 기술기준을 제시할 수 있는 시험데이터를 도출하고자 한다.
본 연구에 앞서 Seo 등(13)은 비노화케이블의 연소특성 및 독성특성을 분석한 선행연구를 수행하였으나, 이는 열화되지 않은 신제품의 케이블에 대한 시험연구이었으며, 본 연구에서는 가속열화된 케이블에 대해 시험을 수행하고, 열화에 따른 독성가스 배출특성을 파악하였다. Naval engineering standard (NES) 713 기술기준(14)에 따라 시험을 수행하였으며 케이블의 가속열화 기간에 따라 발생하는 연소생성물 및 방출량, 독성지수(Toxicity index) 데이터를 산출하여 정량적으로 분석하였다.
본 연구의 결과는 가속열화 된 케이블의 연소특성 및 연소생성물 분석을 통하여 난연성능의 변화 및 인체 유해성을 평가하였다. 이러한 독성특성 연구의 결과는 원자력발전소의 케이블 설치 기준 및 화재위험도 평가 기준 데이터와 화재 전산해석 및 피난 시뮬레이션 시 기초 데이터로 활용될 수 있다.
제안 방법
본 시험 수행시에는 보정시험과 동일 조건하에서 시험편 지지대의 위치를 조절한 후 케이블시험편의 전체가 화염에 60 s 동안 노출되게 하였고, 케이블의 완전연소 여부를 판단하여, 완전연소가 되지 않을 경우 15 s 단위로 추가 연소를 진행하였다. 30 s 동안 교반 후 가스 샘플링을 실시하였고, 순서는 HF, HCl, HBr, C6H5OH, SO2, H2S, HCN, CH2CHCN, HCHO, CO, CO2, NOx, NH3로 진행하였다. 샘플링 시간은 25 min 이내에 완료될 수 있도록 하였으며, 시험 데이터의 신뢰성을 향상시키기 위해 상기 언급된 시험과정을 최소 2회 이상 반복한 후 시험결과의 유사도를 비교하여 시험결과 채택여부를 결정하였다.
가속열화가 진행됨에 따라 난연제의 난연성능이 떨어지는 것이 독성가스의 방출의 증가원인이 되었고, 분자 간 결합력 약화 또한 할로겐계 독성가스의 방출원인이 되었다. A, B사의 비안전등급 케이블의 독성지수를 MIL-DTL 규격에 의거하여 종합 독성지수 허용치 초과 여부를 판단하였다. 두 케이블 모두 경우 모두 절연재가 기준치인 1.
NES 713 규격 적용하여 A, B사 비안전등급 케이블을 대상으로 피복재와 절연재를 분리하여, 경년 수준에 따른 독성가스 특성을 파악하였다. A사와 B사는 CR과 EPR로 같은 성분의 절연재 및 피복재를 사용하고 있다.
NES 713 규격에 따라 밀폐된 챔버에서 소량의 시험편(약 1 g)으로부터 발생되는 연소 생성물의 종류 및 방출량을 측정하여 독성지수(Toxicity index)를 산출하였다. NES 713장비는 버너(Burner), 시험편지지대(Specimen support), 혼합팬(Mixing fan), 시간측정장치(Timing device), 가스샘플링(Gas sampling), 강제배출기(Forced air extraction system) 등으로 구성되며, NES 713의 시험조건과 개략도에 대해서 각각 Table 1 및 Figure 2에 제시하였다.
은 비노화케이블의 연소특성 및 독성특성을 분석한 선행연구를 수행하였으나, 이는 열화되지 않은 신제품의 케이블에 대한 시험연구이었으며, 본 연구에서는 가속열화된 케이블에 대해 시험을 수행하고, 열화에 따른 독성가스 배출특성을 파악하였다. Naval engineering standard (NES) 713 기술기준(14)에 따라 시험을 수행하였으며 케이블의 가속열화 기간에 따라 발생하는 연소생성물 및 방출량, 독성지수(Toxicity index) 데이터를 산출하여 정량적으로 분석하였다. 또한 산출된 독성지수는 미국국방성 규격인 MIL-DTL-24640/15D기준(15)과 비교하여 기준치를 초과하는지 여부를 판단하였다.
이에 총 시험케이스는 12개(= 2종 케이블 × 3수준 경년열화 × 2종 케이블 구성품)이다. 각각의 시험케이스에 대해 13종의 연소가스를 측정하여 가스별 방출 가스량을 산출하였고, 화재 발생 시 케이블의 피복재 및 절연재가 모두 연소되므로 Sheath와 Insulation 각각의 독성지수를 총합하여 나타내었다. 이후 파레토 선도(Pareto diagram)를 통하여 독성지수가 큰 가스부터 작은 가스순으로 나열함으로써, 독성강도를 용이하게 판단할 수 있도록 하였으며, 이 독성지수가 1을 초과하는지 여부, 즉 Cf를 초과하였는지 여부에 따라 메이저 가스(Major gas)와 마이너 가스(Minor gas)로 구분하였다.
Naval engineering standard (NES) 713 기술기준(14)에 따라 시험을 수행하였으며 케이블의 가속열화 기간에 따라 발생하는 연소생성물 및 방출량, 독성지수(Toxicity index) 데이터를 산출하여 정량적으로 분석하였다. 또한 산출된 독성지수는 미국국방성 규격인 MIL-DTL-24640/15D기준(15)과 비교하여 기준치를 초과하는지 여부를 판단하였다. 이러한 시험결과 및 도출된 결론은 궁극적으로 원자력발전소의 노후화에 따른 선제적 안전조치 및 수명연장시 고려해야할 위험성에 대한 기초자료로 활용됨은 물론 케이블의 내용연수에 대한 기준제시에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 시험 수행시에는 보정시험과 동일 조건하에서 시험편 지지대의 위치를 조절한 후 케이블시험편의 전체가 화염에 60 s 동안 노출되게 하였고, 케이블의 완전연소 여부를 판단하여, 완전연소가 되지 않을 경우 15 s 단위로 추가 연소를 진행하였다. 30 s 동안 교반 후 가스 샘플링을 실시하였고, 순서는 HF, HCl, HBr, C6H5OH, SO2, H2S, HCN, CH2CHCN, HCHO, CO, CO2, NOx, NH3로 진행하였다.
본 연구는 A사, B사 2종의 케이블을 3개 경년수준으로 가속열화 시켜 피복재 및 절연재 시험편 각각에 대해 시험을 하였다. 이에 총 시험케이스는 12개(= 2종 케이블 × 3수준 경년열화 × 2종 케이블 구성품)이다.
절연재는 전기절연을 목적으로 Ethylene propylene rubber(EPR) 성분으로 이루어져 있다(16). 본 케이블은 전력/제어용 케이블로 Figure 1과 같이 피복재(Sheath), 절연재(Insulation), 내부동선(Conductor)으로 구성되며, 피복재 및 절연재에 대해 각각 시험을 수행하였다.
30 s 동안 교반 후 가스 샘플링을 실시하였고, 순서는 HF, HCl, HBr, C6H5OH, SO2, H2S, HCN, CH2CHCN, HCHO, CO, CO2, NOx, NH3로 진행하였다. 샘플링 시간은 25 min 이내에 완료될 수 있도록 하였으며, 시험 데이터의 신뢰성을 향상시키기 위해 상기 언급된 시험과정을 최소 2회 이상 반복한 후 시험결과의 유사도를 비교하여 시험결과 채택여부를 결정하였다.
시험 전 온도 및 수분이 시험결과에 영향을 미칠 수 있으므로 시험의 신뢰도 및 반복도를 제고하기 위해 23 ± 2 ℃의 온도와 50 ± 10%의 상대습도(Relative humidity) 조건 하에서 24시간 보존하였다. 또한, NES 713 규격에 의거하여 1-1.
즉, 시험편지지대(Specimen support)가 없는 조건에서 1 min 동안 연소시킨 후, 30 s 동안 혼합 팬(Mixing fan)을 작동시켜 균질한 연소가스 조성을 만든 후 가스검지관(Gas detector tube)을 이용하여 3종류의 가스를 검출하였다. 이 후 보정시험 잔류물들은 강제 추출배기장치(Forced air extraction system)를 통하여 배출하였으며 가동시간은 3 min 이상으로 하여 충분한 배기가 이루어지도록 하였다.
0 kJ/mol로 산출되었다. 이후 최종적으로 100 ℃ 정온 챔버에서 목표 노화기간인 20년, 40년을 대상으로 각각 열화를 진행하였다.
각각의 시험케이스에 대해 13종의 연소가스를 측정하여 가스별 방출 가스량을 산출하였고, 화재 발생 시 케이블의 피복재 및 절연재가 모두 연소되므로 Sheath와 Insulation 각각의 독성지수를 총합하여 나타내었다. 이후 파레토 선도(Pareto diagram)를 통하여 독성지수가 큰 가스부터 작은 가스순으로 나열함으로써, 독성강도를 용이하게 판단할 수 있도록 하였으며, 이 독성지수가 1을 초과하는지 여부, 즉 Cf를 초과하였는지 여부에 따라 메이저 가스(Major gas)와 마이너 가스(Minor gas)로 구분하였다. 특히 본 연구에서는 독성지수가 크게 나온 메이저 가스에 대해 집중하여 시험결과의 분석 및 고찰을 실시하였고, 독성 효과가 적은 마이너 가스에 대해서는 경년열화에 따른 경향성에 대해서만 언급하였다.
케이블만의 독성을 파악하기 위해 메탄가스 및 공기로부터 발생 될 수 있는 CO2, CO, NOx에 대한 보정시험을 먼저 수행한 후, 실제 시험편을 연소시켰을 때 측정된 농도와 보정시험을 통해 측정된 농도 간 차이를 계산하여 메탄가스 및 공기에 의한 CO2, CO, NOx발생량을 제거하였다. 즉, 시험편지지대(Specimen support)가 없는 조건에서 1 min 동안 연소시킨 후, 30 s 동안 혼합 팬(Mixing fan)을 작동시켜 균질한 연소가스 조성을 만든 후 가스검지관(Gas detector tube)을 이용하여 3종류의 가스를 검출하였다. 이 후 보정시험 잔류물들은 강제 추출배기장치(Forced air extraction system)를 통하여 배출하였으며 가동시간은 3 min 이상으로 하여 충분한 배기가 이루어지도록 하였다.
열전대(Thermocouple)를 이용하여 가장 뜨거운 지점에서의 온도가 1150 ± 25 ℃가 되도록 하였으며 불꽃의 높이는 100-125 mm로 유지하였다. 케이블만의 독성을 파악하기 위해 메탄가스 및 공기로부터 발생 될 수 있는 CO2, CO, NOx에 대한 보정시험을 먼저 수행한 후, 실제 시험편을 연소시켰을 때 측정된 농도와 보정시험을 통해 측정된 농도 간 차이를 계산하여 메탄가스 및 공기에 의한 CO2, CO, NOx발생량을 제거하였다. 즉, 시험편지지대(Specimen support)가 없는 조건에서 1 min 동안 연소시킨 후, 30 s 동안 혼합 팬(Mixing fan)을 작동시켜 균질한 연소가스 조성을 만든 후 가스검지관(Gas detector tube)을 이용하여 3종류의 가스를 검출하였다.
이후 파레토 선도(Pareto diagram)를 통하여 독성지수가 큰 가스부터 작은 가스순으로 나열함으로써, 독성강도를 용이하게 판단할 수 있도록 하였으며, 이 독성지수가 1을 초과하는지 여부, 즉 Cf를 초과하였는지 여부에 따라 메이저 가스(Major gas)와 마이너 가스(Minor gas)로 구분하였다. 특히 본 연구에서는 독성지수가 크게 나온 메이저 가스에 대해 집중하여 시험결과의 분석 및 고찰을 실시하였고, 독성 효과가 적은 마이너 가스에 대해서는 경년열화에 따른 경향성에 대해서만 언급하였다.
대상 데이터
시험 전 온도 및 수분이 시험결과에 영향을 미칠 수 있으므로 시험의 신뢰도 및 반복도를 제고하기 위해 23 ± 2 ℃의 온도와 50 ± 10%의 상대습도(Relative humidity) 조건 하에서 24시간 보존하였다. 또한, NES 713 규격에 의거하여 1-1.050 g의 무게로 2-3개의 시험편을 제작하였다.
본 시험연구를 위해서 원자력 발전소에서 사용되는 비안전등급 케이블 2종(본 논문에서는 보안상 A사, B사로 지칭키로 함.)을 선정하고, 열화에 따른 독성특성을 분석하기 위해 비노화, 20년, 40년 가속열화를 시킨 시험편을 제작하여 시험에 사용하였다.
시험에 사용된 케이블 2종 모두 전압 600 V, 두께는 25 mm이다. 피복재는 도체의 기계적 손상을 방지하기 위한 것으로 Polychloroprene rubber (CR)성분으로 구성되어 있다.
본 연구는 A사, B사 2종의 케이블을 3개 경년수준으로 가속열화 시켜 피복재 및 절연재 시험편 각각에 대해 시험을 하였다. 이에 총 시험케이스는 12개(= 2종 케이블 × 3수준 경년열화 × 2종 케이블 구성품)이다. 각각의 시험케이스에 대해 13종의 연소가스를 측정하여 가스별 방출 가스량을 산출하였고, 화재 발생 시 케이블의 피복재 및 절연재가 모두 연소되므로 Sheath와 Insulation 각각의 독성지수를 총합하여 나타내었다.
데이터처리
3)와 같이 각각의 독성가스 평균방출가스량(#)을 독성가스 임계치(Cf, Critical factor)로 나눈 후 합산함으로써 산출한다. 이 때 오차율을 줄이기 위하여 2회 이상의 시험결과로 산출된 각각의 CΘ값을 평균하여 가스농도의 평균치(#)를 계산하였다. 오차율은 피복재는 0.
이론/모형
케이블의 가속열화를 위해 Kissinger method(식 2.1)(17)을 이용하여 건전한 상태의 비노화 케이블로부터 활성화에너지(Activation energy, Ea)를 산출하였다. 이는 반응 및 분해곡선에서 활성화에너지와 온도 상승속도 및 피크 포인트 온도간의 관계를 설명하고 Arrhenius방정식과 속도방정식을 결합한다.
성능/효과
를 보였다. 20년 가속열화 절연재 시험편에서 가장 높은 T.I.를 보였으나 40년 가속열화 시험편에서는 비노화 시험편보다 낮은 수치를 보였다. 또한 CR 및 EPR의 구성 성분인 염화수소(HCl)의 경우 20년 가속열화 시험편까지는 방출량이 증가하였고, 이후 피복재에서는 방출이 증가하였으나 절연재에서는 감소하는 경향을 보였다.
포름알데히드(HCHO)의 경우, 절연재 성분에서 소량 검출되었다. 20년, 40년 가속 열화 케이블에서 비슷한 방출량이었으며 비노화 케이블에서의 방출량보다는 높게 측정되었으나, 모두 0.3이하로 유의미한 수준으로 방출되지 않았다. 이산화항(SO2)은 비노화 시험편에서는 검출되지 않았지만, 20년 및 40 년 가속열화 시험편에서는 피복재에서 소량 검출 되었으나, 이 또한 T.
여기서 주목할만한 사항은 CO2 배출량과 CO 배출량의 상관관계이다. CO가 불완전연소의 산물이고, CO2가 완전연소의 산물임으로 고려할 때, CO가 높은 경우 CO2가 낮게 나타나는 현상을 공통적으로 확인할 수 있고, A사 케이블의 CO와 CO2 방출에서도 유사한 경향성을 보였다. 경년열화에 따른 CO2의 방출량 증가와 감소는 경년열화에 따른 난연성능의 일반적 저하로 인한 가연성의 증가적 요소와 20년 경년열화시 할로겐 계열의 원소(Cl, Br)의 결합력 약화로 인한 불완전 연소성의 증가로 인한 결과가 상충되어 나타난 현상으로 판단된다.
CO는 전체 시험조건에서 높은 방출량을 보였으며 특히 20년 가속열화케이블에서 가장 높은 T.I.를 보였는데, 이는 A사 케이블의 결과와 매우 유사하다. 이러한 유사한 결과에 대한 원인으로 3.
HCN은 가속열화가 진행됨에 따라 절연재 및 피복재 모두 T.I.가 증가하는 경향을 보였다. HCN은 주로 연료 상 질소가 있는 경우 혹은 연료 과농 상태에서 CH라디칼이 공기 중 질소분자와 만나서 신속하게 생성이 되는 신속 NOx(Prompt NOx) 메커니즘(19)에 의해 생성되는 것으로 알려져 있다.
가속열화가 진행됨에 따라 A, B사 공통적으로 HCN이 높은 독성지수 비중을 차지하고 있으며, 특히 B사의 20년 열화 케이블에서 다량의 HBr 및 HCl이 검출되었다. 가속열화가 진행됨에 따라 난연제의 난연성능이 떨어지는 것이 독성가스의 방출의 증가원인이 되었고, 분자 간 결합력 약화 또한 할로겐계 독성가스의 방출원인이 되었다. A, B사의 비안전등급 케이블의 독성지수를 MIL-DTL 규격에 의거하여 종합 독성지수 허용치 초과 여부를 판단하였다.
A사와 B사는 CR과 EPR로 같은 성분의 절연재 및 피복재를 사용하고 있다. 따라서 방출되는 가스의 종류에는 차이를 보이지 않았으며 일부 가스 발생량에 따라 첨가된 물질의 차이가 있음을 확인하였다. 가속열화가 진행됨에 따라 A, B사 공통적으로 HCN이 높은 독성지수 비중을 차지하고 있으며, 특히 B사의 20년 열화 케이블에서 다량의 HBr 및 HCl이 검출되었다.
를 보였으나 40년 가속열화 시험편에서는 비노화 시험편보다 낮은 수치를 보였다. 또한 CR 및 EPR의 구성 성분인 염화수소(HCl)의 경우 20년 가속열화 시험편까지는 방출량이 증가하였고, 이후 피복재에서는 방출이 증가하였으나 절연재에서는 감소하는 경향을 보였다. 이는 열화기간 동안 피복재의 내부에 있는 절연재는 안정화되어 반응이 더디게 진행되는 반면, 피복재는 지속적으로 외부에 노출됨에 따라 열에 의한 반응이 계속해서 진행되었기 때문으로 판단된다.
포름알데히드와 이산화황은 0년, 20년 가속열화 케이블의 연소 시에는 검출되었으나 40년 가속열화 케이블에서는 검출되지 않았다. 또한, A사 시험결과와 같이 황화수소, 암모니아, 페놀, 불화수소는 모든 케이블의 연소과정에서 검출되지 않았다.
20년 가속 열화 케이블의 경우에는 케이블 자체에 존재하고 있던 휘발성 유기화합물(Volatile organic compounds, VOC)이 가속 열화 과정에서 100 ℃의 지속적인 열의 영향으로 분해반응을 일으켜(20) 완전 연소되는 가연성 물질의 양이 줄어들었기 때문으로 판단된다. 또한, 다른 가스들에 비해 CO2 절연재 및 피복재에서 산출된 T.I. 수치가 비슷하게 측정되었다는 점을 확인하였다.
포름알데히드는 절연재에서 지속적으로 방출되었으며 이산화황은 20년, 40년 가속열화케이블의 피복재에서만 검출되었다. 또한, 황화수소, 암모니아, 페놀, 불화수소는 모든 케이블의 연소과정에서 검출 되지 않았음을 확인하였다.
본 시험의 반복성을 확인하기 위해 앞서 언급한 바와 같이 2회 시험을 한 후 식 (2.4)에 따라 반복도를 계산한 결과 96.99-99.97%으로 매우 높은 수준임을 확인하였다.
2)에 따라 Table 3의 각각의 가스 농도로부터 가속열화기간에 따른 A사, B사 케이블의 독성지수를 피복재와 절연재로 구분하여 합산하고 Figure 5에 도시하였다. 이 종합 T.I.값과 미국국방성 규격인 MIL-DTL-24640/15D기준에 명시되어있는 허용기준값(피복재의 최대값은 ‘5’, 절연재의 최대값은 ‘1.5’)을 비교하였다. A사 케이블의 피복재는 전 가속열화 기간에 대해 허용치를 초과하지는 않았으나 비노화 케이블에서 허용치에 인접하는 T.
를 보였다. 이러한 결과를 모두 종합할 때 피복재와 절연재를 통합하여 판단하면, 경년열화가 진행될수록 케이블의 연소 시 독성가스의 방출이 비노화의 경우보다 증가하는 것으로 볼 수 있고, 일정 수준 이상으로 열화 시 가연성 물질의 감소로 적은 CO 및 CO2를 방출하여 결과적으로 독성가스 방출이 다시 낮아진다고 할 수 있다.
B사 케이블에 대한 가스별 상세 분석결과는 Figure 4에 도시하였다. 이산화탄소, 일산화탄소, 염화수소, 아크릴로 니트릴, 질소산화물, 시안화수소, 브롬화수소는 모든 경년 수준 케이블에서 방출되었다. 포름알데히드와 이산화황은 0년, 20년 가속열화 케이블의 연소 시에는 검출되었으나 40년 가속열화 케이블에서는 검출되지 않았다.
그로인한 연소성의 강화 효과가 균형을 이루며 CO의 발생(18)에 있어 적정 수준의 환경을 조성한 것으로 추정된다. 즉, 20년 경년 수준에서 가장 최적의 CO방출 조건이 형성되었다가 40년 경년수준에서 더 높은 수준의 분자 간 결합력 약화와 끊어진 결합사이로 분자의 이탈로 인한 가연성 물질의 감소로 인해 20년 경년수준보다 CO가 덜 방출된 것으로 사료된다.
또한, B사 비노화 케이블의 경우에는 피복재의 방출 비중이 높았으나 20년, 40년 가속열화 케이블에서는 피복재와 절연재 방출비중이 비슷하였다. 특이사항으로는 40년 가속열화 케이블의 절연재에서 다른 케이블들에 비해 CO2의 T.I.는 높은 수치임을 보이고, CO의 T.I.는 유독 낮은 수치를 보였다. 이는 가속열화가 진행됨에 따라 난연제의 난연성능이 저하되어 완전 연소 가능성이 커졌기 때문으로 판단된다.
절연재 성분에서 많은 방출량을 보였던 A사 케이블과는 달리 B사 케이블에서는 피복재의 방출 비중이 더 높았으며 40년 가속열화 케이블의 절연재에서는 검출되지 않았다. 한편 A사 가속열화 케이블 피복재의 20년, 40년 가속열화 케이블에서만 검출되었던 이산화항(SO2)은 B사 비노화케이블의 피복재, 20년 가속열화 케이블의 피복재, 절연재 모두에서 검출되었으며, 20년 가속열화 케이블에서는 피복재에서의 발생 비중이 더 높았다.
후속연구
이러한 독성특성 연구의 결과는 원자력발전소의 케이블 설치 기준 및 화재위험도 평가 기준 데이터와 화재 전산해석 및 피난 시뮬레이션 시 기초 데이터로 활용될 수 있다. 본 연구 결과가 이러한 응용연구와 결합되었을 경우 운전원의 피난 및 수동조치의 신뢰성 및 안전성을 확보하고 원자력발전소의 종합적인 화재 안전성을 증진하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구의 결과는 가속열화 된 케이블의 연소특성 및 연소생성물 분석을 통하여 난연성능의 변화 및 인체 유해성을 평가하였다. 이러한 독성특성 연구의 결과는 원자력발전소의 케이블 설치 기준 및 화재위험도 평가 기준 데이터와 화재 전산해석 및 피난 시뮬레이션 시 기초 데이터로 활용될 수 있다. 본 연구 결과가 이러한 응용연구와 결합되었을 경우 운전원의 피난 및 수동조치의 신뢰성 및 안전성을 확보하고 원자력발전소의 종합적인 화재 안전성을 증진하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 산출된 독성지수는 미국국방성 규격인 MIL-DTL-24640/15D기준(15)과 비교하여 기준치를 초과하는지 여부를 판단하였다. 이러한 시험결과 및 도출된 결론은 궁극적으로 원자력발전소의 노후화에 따른 선제적 안전조치 및 수명연장시 고려해야할 위험성에 대한 기초자료로 활용됨은 물론 케이블의 내용연수에 대한 기준제시에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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