Safety Evaluation for Maintenance Facilities of Nuclear Power Plant Using Computational Fluid Dynamics Analysis

남진 조; 동수 임; 도형 김; 기열 윤

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.1.177

Abstract

Nuclear facilities are operated according to very strict safety standards compared to other industrial facilities because they are special facilities that can cause massive damage in case of fire. In this paper, CFAST (Consolidated Fire and Smoke Transport model), one of the fire analysis programs, is used to evaluate the safety of nuclear power plants by assuming a fire due to temporary combustibles in the maintenance facilities installed in nuclear power plants. Fire simulation was performed based on NUREG-1934 and NUREG / CR-6850. As a result, damage of cables due to fire was evaluated by analyzing hot gas layer height, temperature, radiant heat and so on. This will provide information for securing the safety of nuclear power plants.

Keywords: Maintenance Facilities, CFAST, Hot Gas Layer, Radiant Heat

요지

원자력 시설물은 화재발생 시 대규모 피해를 가져 올 수 있는 특수 시설물로서 다른 산업 시설물에 비해 매우 엄격한 안전 확보 기준에 따라 운영되고 있다. 본 논문에서는 화재해석 프로그램 중의 하나인 CFAST(Consolidated Fire And Smoke Transport model)를 사용하여 원자력 발전소에 추가로 설치된 정비편의시설의 임시가연물로 인한 화재를 가정하고 이에 따른 원자력발전소의 안전을 평가하였다. NUREG-1934 및 NUREG/CR-6850에 기초하여 화재시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과로 Hot Gas Layer 높이, 온도, 복사열 등을 분석하여 화재에 따른 케이블의 손상 여부를 평가하였다. 이를 통해 원자력 발전소의 안전성 확보를 위한 정보를 제공하고자 한다.

1. 서론

원자력발전소는 다른 산업 시설물에 비해 화재 발생 시 방사선 유출 같은 대규모 사고로 이어질 수 있어 설계 시 뿐만 아니라 운영에 있어서도 안전 확보가 중요하다. 이에 따라 국내 원자력발전소는 국내 원자력법, 소방법, 건축법 및 원자로 설계국의 규정 및 규정지침을 적용하여 운영 중에 있다(Jee et al., 2006). 본 논문에서는 화재모델링 방법을 통해 원자력발전소내부에 정비편의를 위해 설치된 자재창고의 화재위험성을 확인 및 평가하고 화재로부터의 안전성 확보를 제시하고자 한다.

2. 연구 내용

2.1 목적

HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning) Penetration Room 내에 추가 설치된 정비편의시설 내부에는 윤활유, 구리스, 폐지 등과 같은 화재 취약 물질들이 다수 존재하며, 상부에는 안전성관련기기들이 설치되어 있다. 상기와 같은 화재 취약물질의 취급 부주위로 인해 발생한 화재를 가정하여 모델링하였으며 이것을 통해 안전성관련기기의 손상여부를 평가를 하였다.

2.2 화재 시나리오

HVAC Penetration Room의 화재 가능성은 정비편의시설에 비치되어 있는 화재 취약물질들을 정비인원의 취급 부주위에 의해 화재가 발생하는 것으로 시나리오를 작성하였다. 화재가능성이 있는 캐비닛 2개를 선정하여 모델링 하였다. 하나의 캐비닛에는 윤활류 등의 유류가 있고, 다른 하나에는 임시가연물들이 포함되어있다. NUREG/CR-6850의 Table G-1의 Transient Combustibles(임시가연물)과 NUREG-1805 FDT로 Lubrication Oil의 HRR값을 화원으로 시뮬레이션 하였다. HVAC Penetra-Tion Room은 Containment Vessel Building과 맞닿는 면이 있으며 직사각형의 형태가 아니어서 등가모델을 계산하여 적용하였다(2.3. 가. 참조).

이 격실내의 공조기에 대한 자료가 부족하여 5500CFM (cubic feet per minute)의 흡기 및 배기가 이루어지는 것으로 가정하여 시뮬레이션 하였으며, Fire Damper에 대한 정보 또한 부족하여 흡기 및 배기 덕트의 중심에 위치를 잡고 시뮬레이션 하였다. 그 외의 흡기 배기는 3개의 방화문의 문틈으로 이루어지고 있는 것으로 설정하였다. 문틈새 정보는 NFSC-501A(화재안전기준)를 적용하여 계산하였으며, 문의 정보는 실측하여 계산하였다.

화재 성장곡선은 NUREG/CR-6850 APP. G에 따라 작성하였고, 천장, 바닥, 벽은 모두 콘크리트로 구성되어 있으며 각각 1.5, 1.5, 2 ft의 두께로 설정하였다.

모든 벽, 바닥, 천장은 콘크리트 구조물로 구성 되어 있으며, 케이블의 물성치는 일반적으로 많이 사용하는 물성치를 사용하였다.

Target은 안전성 케이블이 지나가는 전선관과 안전성기기인 덕트 밸브의 최하단을 선정하였다(화원에서 가까운 곳으로 선정).

격실을 등가 모델링하였기 때문에 화원과 Target과의 거리를 실측하여 등가 모델링에 반영하였다.

2.3 분석방법

본 논문은 화재모델링 프로그램으로 CFAST를 선정하였다. 이 프로그램은 짧은 기간에 빠른 결과 값을 낼 수 있으며, 많은 양의 데이터를 해석해 내는 것이 특징이라 하겠다. 또한 실재화재의 경험치 들이 반영되어 결과 값의 신뢰도가 높은 것이 장점이다.

가. 격실은 아래 그림과 같이 직사각형의 형태가 아니므로 등가 모델링을 적용하였다. 등가 모델링로 계산하여 나온 값을 정리하면 가로: 31.73m, 세로: 6.41m, 높이: 5.57m이다. 등가 모델을 적용하면서 불확실성을 줄이기 위해 화원과 Target의 거리, 벽면과 Target의 거리, 천장과 Target의 거리등을 실측하여 적용하였으며, Target의 온도는 Hot Gas Layer의 높이가 가장 큰 영향을 주므로 높이에 따른 체적을 고려하여 모델링하였다.

나. 화재는 Transient Combustion의 화재성장곡선을 NUREG-1934에서 발취한 물성치로 입력하였다. 그 내용은 Table 1과 같다.

Table 1

Fire Growth Curve Material Properties Input Data

Parameter	Transient	Lub. Oil	Source
Effective Fuel Formula	C₄H₇O_2.5	C₁₄H₃₀	Specified
Peak HRR	317kW	872kW	NUREG/CR-6850(EPRI1011989),App.G
Time to reach peak HRR	480s	514s	NUREG/CR-6850(EPRI1011989),App.G
Heat of Combustion	30,400kJ/kg	46,000kJ/kg	SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16
CO₂ Yield	2.0kg/kg	2.64kg/kg	SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16
Soot Yield	0.038kg/kg	0.059kg/kg	SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16
CO Yield	0.014kg/kg	0.019kg/kg	SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16
Radiative Fraction	0.4	0.34	SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16

Table 2

Cabinet Fire

Transient Combustion(TC)	Lubrication Oil(LO)

다. 화원은 임시가연물 저장 케비넷으로 설정하였으며 그 크기는 W: 90cm, D: 71cm, H: 129cm으로 실측하여 입력하였고, 화원의 면적으로는 케비넷의 상판면적을 적용하였다. 아래 사진은 실사 당시의 사진으로 케비넷 내의 화원들을 나타내고 있다.

라. Heat Release Rate(열방출율 이하 HRR) 곡은 NUREG/CR-6850, Table G-2의 평균값을 참조하여 Time to Peack는 11.4분, Steady Burning은 7.1분, Time to Decay는 19분을 사용하여 화재성장곡선을 만들었으며, CFAST의 입력값 Time to 1MW는 아래의 (1)식을 사용하여 구하였다.

(1)

t= 1000×(Time to Peak)2Peak Value

위의 식을 사용하여 1MW에 걸리는 시간을 구하고 지속시간과 소멸시간을 계산하면 Table 3과 같다.

Table 3

Fire Growth Curve Input Data

Parameter	Transient Combustion	Lubrication Oil
Time to 1MW(s)	853	732
Maximum HRR(kW)	317	872
Steady Burning Period(s)	426	426
Decay Period(s)	1140	1140

Table 4

Calculation of Door Gaps Hight

Description	Door1	Door2	Door3	source
Door Width (W)	1.3	1.03	1.94	Measurement
Door Hight (H)	2	2	2	Measurement
Gap Length of Door (L)	6.6	6.06	9.88	Measurement
Gap Length of Standard Door (l)	5.6	5.6	9.2	NFSC-501A
Gap Area of Standard Door (A_d)	0.02	0.01	0.03	NFSC-501A
Door Gap Area (A=L/lA_d)*	0.02	0.01	0.03	NFSC-501A
Door Gap Hight (h=A/W)	0.02	0.01	0.02	NFSC-501A

마. Table 3의 값을 CFAST상에 입력하여 HRR값을 구하면 Fig. 2와 같다.

Fig. 1

Equivalent Model Application Result

Fig. 2

TC, LO HRR Value Comparison

Fig. 3

Velocity vs. Hidraulic Gradient

바. 화재의 환경조건은 NUREG-1934에 나와 있는 환경조건을 적용하여 해석 하였다.

사. 주요 환기조건으로 격실의 Door는 방화문이므로 항상 닫힌 상태를 유지하는 것으로 가정한다. 단, 모든 격실 Door에는 문틈이 존재하는 것으로 가정하며, 그 문틈의 크기는 아래의 방정식에 따라 정의한다.

(2)

A= Ll Ad

A = 출입문의 틈새면적(m²), L = 출입문 틈새의 길이(m), l = 표준출입문의 틈새길이(m, 외여닫이문: 5.6, 쌍여닫이문: 9.2)

A_d = 표준출입문의 누설면적(m², 외여닫이 내측 개방: 0.01, 외여닫이 외측 개방: 0.02, 쌍여닫이: 0.03)

아. Flame의 영향: 화원의 상부에 Cable or Cable Tray가 존재 하는 경우 Flame을 삼각형으로 가정하고 Flame의 높이(h)와 면적(A), 반지름(r)에 따라 Cable 및 Cable Tray의 손상 여부를 확인하였다. 여기서 Flame의 면적은 화원의 면적이다. Flame의 반지름은 Flame의 면적을 아래의 식에 넣어 풀이된다.

(3)

A=πr2, r= Aπ

Flame의 변을 방정식으로 나타내면 다음과 같다.

(4)

y=− hr ×x+h

Flame 높이보다 낮고, 반지름 r 보다 떨어진 거리가 짧은 Tray에 대해서는 Flame에 닿는지는 아래 방정식을 통해 확인한다.

(5)

Y=H−(− hr ×R+h)

방정식의 값(Y)이 음의 값이면 Cable Tray가 Flame 내부에 있는 것이고, 양의 값이면 외부에 있게 된다. 0의 값이 나오면 Flame에 닿은 것이므로, 내부에 있는 경우와 0인 경우 Tray의 손상으로 판정한다.

2.4 판정기준

케이블 트레이내의 케이블의 손상 여부 판정은 Table 5의 판정 기준에 따른다.

Table 5

Criteria of Evaluation in Simulation

Description	Crisis Value
Fusible Temperature for Fire Damper	72 °C
Cable Tray Damage from Flame	Y <= 0
Damage Temperature of Cable	330 °C

판정은 판정기준에 따라 Cable Tray가 Flame에 접촉되는지를 확인하고 접촉만으로도 Cable이 손상 되는 것으로 판정한다(Y<=0 이면 손상으로 판정한다). 그리고 Cable Tray의 온도가 330 °C 이상이면 Cable이 손상이 되는 것으로 판정한다.

2.5 분석내용

상기의 내용으로 자료를 입력하고 CFAST를 실행한 데이터에서 Fire Damper의 온도가 기준값인 72°C 이상이 되는 Fire Damper가 있는지 확인하고 있으면 그 시간을 Fire Damper 닫힘 시간으로 설정하고 재실행한다. 화원별로 그 닫힘 시간을 확인하기 위한 최고 온도와 시간을 정리하면 Table 6과 같다.

Table 6

Fire Damper Close Time Check

Fire Damper Close Time	Fire DMP1		Fire DMP2
Fire Damper Close Time	Time	Temp.	Time	Temp.
T. C.	1200	38.70	1210	38.70
L. O.	1050	72.17	1070	72.49

Fire Damper가 닫히면 뜨거운 공기의 배출이 되지 않고, 외부 공기가 차단되어 내부 온도에 영향을 주게된다. Transient Combustion의 경우 Fire Damper 최고 온도가 38.70도 정도 이므로 Fire Damper의 닫힘은 없다. Lubrication Oil의 경우 Fire Damper1은 1,050s, Fire Damper 2는 1,070s에 댐퍼가 닫히는 시간을 댐퍼에 적용하여 시뮬레이션 하였다.

화원 상부에는 Target이 존재하지 않으므로 Flame의 영향은 받지 않는 것으로 판단된다.

2.6 결과물 분석

CFAST의 결과 값으로 Smokeview와 CSV(Comma Separated Value)의 TEXT파일이 생성된다. CSV파일은 f.csv, n.csv, s.csv, w.csv, zone.csv로 총 5개이며, 이 파일들은 압력, 온도, 높이, 농도, 복사열량 … 등의 결과 값이 저장 되어있다. CFAST의 결과 값으로 나온 CSV파일을 이용하여 Upper Layer Temperature(ULT), Lower Layer Temperature(LLT), Heat Release Rate(HRR)와 각 Target의 온도를 그래프로 그리면 Figs. 4~7과 같다.

Fig. 4

ULT, LLT, HRR of TC

Fig. 5

Temp. of Each Target on TC

Fig. 6

ULT, LLT, HRR of LO

Fig. 7

Temp. of Each Target on LO

결과 값을 바탕으로 Target의 가장 높은 온도값과 그 시간을 정리하면 Table 7과 같다.

Table 7

Max. Temp. & Time for Each Target

Target Max. Temp. & Time		Target 1	Target 2	Target 3	Target 4	Target 5
TC	Time	1650	1180	1210	1200	1210
TC	Temp.	40.85	49.51	44.60	38.71	38.71
LO	Time	1990	1480	1480	1420	1420
LO	Temp.	72.05	91.41	91.50	89.30	89.06

3. 결론

HVAC Penetration Room의 각 화원에 대해서 시뮬레이션 해본 결과 모든 Target의 온도는 330 °C를 넘지 않았다. 그러므로 각 화원에 대해서 모든 케이블은 안전하다는 결론을 내릴 수 있겠다. 만약 이곳의 케이블 중 미검증 케이블이 있다면 205 °C를 기준으로 해석하여야 한다. 본 모델링에서는 Target에서 205 °C를 넘는 Target도 없는 것으로 보인다. 그러므로 HVAC Penetration Room의 화재에 의한 케이블 손상은 없는 것으로 판정할 수 있다.