1. 서 론
원자력발전소에서 사용되는 케이블은 장시간 사용될 경우 온도, 습도, 방사능 조사 등 여러 열화 조건(Aging conditions)에 노출되어 물리・화학적 경년열화(Aged deterioration)가 일어나 정상적인 기능이 어려울 수 있다. 특히, 케이블은 가연물로 분류되어(1,2) 난연제를 첨가하여 일정 수준의 난연성능을 유지하여야 하지만(3) 경년열화가 일어날 경우 케이블의 난연성능이 저하되어 화재 위험성을 높일 수 있다.
원자력발전소의 여러 열화 조건 중 온도와 방사선으로 인한 열화 영향으로는 케이블을 구성하는 피복·절연재에서 산화작용, 고분자의 사슬구조 절단, 자유라디칼 생성과 같은 물질의 성능 저하를 일으킬 수 있다(4). 이러한 성능 저하는 고분자로 이루어진 피복·절연재를 더 부서지기 쉽게 하거나 열적, 기계적, 전기적 스트레스를 견딜 수 없게 한다(5). 또한, 장기간 높은 습도에 노출된 케이블은 절연 저항이 낮아져 누전 및 절연 열화에 의한 화재 발생 위험성을 높이는 결과로 이어질 수 있다(6). 따라서, 열화에 의한 케이블의 물리적, 화학적 변화에 따른 화재에 미치는 영향에 대한 이해는 원자력발전소의 화재 예방을 위해 중요한 연구 테마 중 하나이다(7).
이전 선행연구에서, Jang 등(8)은 비안전등급 케이블에 대해 온도를 고려한 가속열화 시험을 진행하여 온도에 따른 경년열화 케이블에 대하여 연소 시 방출되는 독성가스에 관한 연구를 수행한 바 있다. 그러나 원자력발전소의 경우, 격납건물(Containment unit) 내부 지역에서는 방사선 조사라는 특수한 열화 조건이 작용하고 있어, 격납건물 내부에서 사용되는 안전등급 케이블에 대해 방사선 열화에 따른 화재 영향에 관한 연구가 필요하다.
이러한 배경하에, 본 연구에서는 방사선 열화에 따른 케이블의 물리적, 화학적 변화로 인한 화재에 미치는 영향에 관한 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 원자력발전소에서 사용되는 안전등급 케이블(Class 1E cable) 1종을 선정하였으며 방사선 조사를 한 안전등급 케이블(Irradiated cable, IR cable)과 방사선 조사를 하지 않은 안전등급 케이블(Non-Irradiated cable, Non-IR cable)에 대해서 연소 및 연기특성 그리고 독성가스에 대해서 비교를 하여 방사선 열화에 따른 변화를 분석하였다.
2. 시험재료 및 방법
2.1 시험재료
본 연구에서는 원자력발전소에서 사용되는 안전등급 케이블 1종을 선정하였다. 안전등급 케이블은 원자력규제위원회(Nuclear regulatory commission)의 규제지침인 NUREG-0800(9), “Standard review plan for the review of safety analysis reports for nuclear power plant”에 의거하여 IEEE-383(10), “IEEE standard for qualifying electric cable and splice for nuclear facilities”에 따른 수직 트레이 불꽃 시험(Vertical tray flame test)을 통과하여 난연성을 검증받은 케이블이다. 해당 불꽃 시험은 20 min간 화염을 인가하고 화염을 제거하였을 때 자체 소화 및 전소되지 않았음을 확인하는 시험이다. 본 연구에서 선정한 케이블은 600 V 전압의 전력/제어용 케이블로서 외경이 30 mm이고, Chlorosulfonated polyethylene rubber (CSPE) 피복재와 Ethylene propylene rubber (EPR) 절연재로 구성되어 있다.
2.2 방사선 조사시험
원자력발전소의 방사선 영향은 방사선 조사시험을 통해 재현하였다. 방사선 조사시험은 방사선 가속 모델을 적용하여, 흡수선량에 의해 영향을 받고 선량률이나 조사 방사선 종류와는 무관하다는 개념을 적용하였다. 본 연구에서는 코발트 60 감마선(60Co γ-ray)을 사용하였으며, 총 방사선 흡수선량은 1.94 × 106 Gy로 시험을 진행하였다.
2.3 콘 칼로리미터 시험
케이블의 연소 및 연기특성을 분석하기 위해 KS F ISO 5660-1(11) 규격에 따라 콘 칼로리미터 시험을 진행하였다. 콘 칼로리미터 시험은 난연성 고분자 물질의 화재 반응 특성을 측정하기 위한 표준 시험 방법으로 사용된다(12). 본 연구에서는 열 유속(Heat flux)을 50 kW/m2의 조건에서 시험을 수행하였으며, 시험편은 Figure 1과 같이 100 mm × 100 mm 크기의 시험편 홀더에 맞추어 제작하여 시험을 진행하였다. 시험의 재현성을 위해 Non-IR 케이블과 IR 케이블 모두 3번의 반복 시험 후 5개의 인자, 열방출률(Heat release rate, HRR), 총 방출열량(Total heat release, THR), 질량감소율(Mass loss rate, MLR), 연기발생률(Smoke production rate, SPR), 총 연기발생량(Total smoke release, TSR)에 대해서 각각 산술평균하여 결과값으로 제시하였다.
2.4 NES 713 시험
케이블 연소 시 방출되는 가스의 독성능력을 평가하기 위해 NES 713(13)에 따른 가스 유해성 평가 시험을 진행하였다. NES 713 시험은 챔버 내 시험편을 연소시켜 챔버와 가스검지관을 연결해 유해 가스의 방출 여부 및 방출량을 측정하여 독성지수를 산출한다.
본 시험에서는 케이블의 피복재, 절연재를 구분하여 시험을 진행하였으며, 0.6 m3 크기의 챔버 내에서 불꽃 온도와 높이를 1150 ± 25 °C와 100 mm로 유지하면서 시험을 진행하였다. 시험편 1-1.05 g을 화염에 노출시켜 연소 후 약 30 s 동안 Mixing fan을 가동하여 챔버 내부의 연소가스를 혼합한 뒤에 가스를 검출하였다. 가스의 발생 농도(Cθ)는 식 (1)에 나타내었다.
여기서 Ci는 가스검지관을 통해 검출된 가스농도(ppm)이며, V는 챔버의 부피(m3), m은 질량(g)을 의미한다. Cθ는 1m3의 챔버 부피와 100 g의 시험편을 기준으로 산정되었다.
식 (1)에 의해 산정된 Cθ는 식 (2)의 독성지수 산출 식에 적용된다.
여기서 Cf는 해당 가스의 30 min간 노출 시 치사농도(ppm)를 의미한다. 본 연구에서는 13종의 가스에 대해서 측정하였으며 해당 가스들의 종류와 치사 농도를 Table 1에 나타내었다(13).
Table 1
The Toxic Concentration Fatal to Human at 30 min Exposure Time with NES 713
3. 시험결과
3.1 연소특성
우선 Non-IR 케이블은 930 s에서 표면에 점화된 화염이 소화되었으며, IR 케이블은 1,180 s까지 연소가 진행됨을 확인하였다. Figure 2에 도시된 시간에 따른 열방출률의 경우, 최대 열방출률(Peak of heat release rate, PHRR)이 IR 케이블은 188.65 kW/m2, Non-IR 케이블은 149.81 kW/m2으로 계산되었다. 두 시험편 모두 최대 열방출률 도달 이후에 열방출률이 급격하게 감소한 이후, Non-IR 케이블은 150 s 이후에서 약 25 kW/m2의 열방출률 값으로 일정하게 유지되는 것으로 확인되었으나 IR 케이블은 700 s 이후 열방출률이 다시 증가하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 방사선 조사에 따른 난연 첨가제의 성능 변화로 인한 Char 층의 불안정한 형성 때문인 것으로 판단된다. Char층 형성은 케이블에 첨가되는 난연제의 일반적인 난연 메커니즘 중 하나로써 연소 시 표면에 불연층을 형성하여 내부로의 열 침투 및 열분해를 억제하는 기능을 한다(14-16). 그러나 Park(17)의 연구에서는 방사선 조사는 분자들의 화학적 결합력을 완화시킬 수 있다고 보고하였다. 또한 Choi 등(18)의 연구에서는 방사선 조사가 고분자 물질의 사슬결합을 절단하는데 영향을 줄 수 있으며, 이러한 사슬절단 반응은 물질의 물성 변화에 영향을 줄 수 있음을 보고하였다. 이러한 연구결과를 바탕으로 본 연구에서도 방사선 조사가 케이블의 첨가된 난연제의 성능 변화에 영향을 주었으며, char층의 불안정한 형성을 기인하였다고 판단된다. IR 케이블의 열방출률 그래프에서 300 s대에서 일시적으로 증가하는 열방출률 및 700 s대에서 증가하는 열방출률의 경우에도 시험편 표면의 Char층의 일부분에서 형성 및 분해되는 과정이 일어나 내부 동선으로 열 침투가 이루어진 것으로 판단된다(19).
Figure 3에 도시된 총 방출열량은 시간에 따른 열방출률의 적분값으로 표현된다. Non-IR 케이블의 총 방출열량은 33.48 MJ/m2, IR 케이블의 총 방출열량은 74.18 MJ/m2으로 측정되어 IR 케이블의 총 방출열량이 Non-IR 케이블보다 약 2.2배 높게 계산되었다. 이는 IR 케이블의 700 s 이후 열방출률의 증가와 Non-IR 케이블보다 더 오랜 시간 동안 연소가 지속됨에 따라 차이가 나타난 것으로 판단된다. 이러한 경향은 Figure 4의 질량감소율에서도 확인할 수 있었다. Figure 4의 나타낸 기울기(Gradient, G)의 경우, IR 케이블이 Non-IR 케이블보다 더 큰 음의 기울기 값이 계산되었으며, 이는 시험이 진행되는 동안 연소에 따른 질량 감소가 더 커짐을 의미하며 총 질량감소율을 비교하였을 때, Non-IR 케이블은 약 2.81%, IR 케이블은 약 5.67%의 질량 감소가 이루어져 IR 케이블이 Non-IR 케이블보다 약 2.8% 높은 질량 감소율을 보였다. 따라서 방사선 조사로 인한 Char층의 불안정한 형성이 케이블의 열 침투 및 열분해를 억제하지 못해 지속적인 열 방출 및 더 큰 질량감소를 기인하였다고 판단된다.
또한 Figure 2-4에 전체적으로 시험이 IR 케이블은 1,180 s까지 시험 전 시간 동안 연소가 유지된 반면, Non-IR 케이블의 경우 930 s에서 연소가 종료되었다. 이처럼 방사선 조사의 효과가 난연성능의 저하에 영향을 미치고 이로 인해 연소유지시간 증가, 최대 열방출률의 증가, 총 방출열량의 증가, 질량감소율의 증가를 유발시킴을 실험적으로 확인했으며, 그 반면 초기 연소특성을 나타내는 열 방출의 첫 최대치의 시간은 다소 지연되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 케이블이 방사선 조사에 의해 휘발성 물질의 감소로 인해 초기화재가 성장하는데 있어 다소 지연하는 효과가 있었기 때문으로 판단된다.
3.2 연기특성
콘 칼로리미터 시험을 통해 케이블 화재시 방출되는 연기에 대해서 방사선 조사가 미치는 영향을 분석하였다. 연소특성과 마찬가지로 연기특성 인자들 또한 3회 반복 시험 후 산술평균하여 분석하였으며, 그 산술평균값을 Figure 5-6에 도시하였다.
Figure 5에 시간에 따른 연기발생률을 나타내었다. 최대 연기발생률에 도달하는 시간은 Non-IR 케이블이 IR 케이블보다 약 10 s 빠르고, 최대 연기발생률의 값은 Non-IR 케이블이 0.112 m2/s, IR 케이블이 0.184 m2/s으로 측정되었다. 열방출률과 유사하게 Non-IR 케이블은 최대 연기발생률에 도달 후 급격히 감소하여 일정한 값을 유지하였으며, IR 케이블의 경우 최대 연기발생률에 도달 후 300 s대에서 일시적으로 증가하다 다시 감소 후 700 s 이후에 다시 증가하는 경향을 보였다. Char층은 열 침투와 열분해를 막는 역할을 하여 연기발생률을 저하시킨다(20). 그러나 방사선 조사에 따른 난연제의 성능변화로 인하여 Char층이 불안정하게 형성됨으로써 연기발생률에도 영향을 주었다고 판단된다.
Figure 6에 시간에 따른 총 연기발생량을 나타내었다. 총 연기발생량은 시험편의 노출면적에 따른 연기발생량으로 식 (3)과 같다.
여기서 A는 시험편의 면적(m2), Vs는 연기배출량(m3/s), k는 감쇠계수(Extinction coefficient, 1/m)를 의미한다. Non-IR 케이블의 총 연기발생량은 1568.63 m2/m2, IR 케이블의 총 연기발생량은 4779.29 m2/m2으로 측정되었다. 최대 연기발생률 도달 시간 이후 두 케이블의 총 연기발생량의 값은 큰 차이를 보였으며, 연기발생률과 마찬가지로 Char층의 불안정한 형성이 주된 원인으로 판단된다.
추가적으로 연소특성 및 연기특성 인자에 대해서도 3회 반복실험 데이터의 산술평균값을 계산하여 두 케이블의 연기억제 성능 및 연기위험도를 정량적으로 비교하였다. 본 연구에서는 Smoke parameter (SP), Smoke factor (SF) 2개의 연기지수를 사용하였다. 2개의 연기지수의 결과는 Table 2에 나타내었으며, 2개의 연기지수는 식 (4)-(5)와 같이 나타낸다(21-23).
Table 2
Combustion Characteristics of Non-IR and IR Cables Obtained from Cone Calorimeter Test
| Division | PHRR [kW/m2] | Avg. SEA [m2/kg] | TSR [m2/m2] | SP [MW/kg] | SF [MW/m2] |
|---|---|---|---|---|---|
| Non-IR cable | 149.81 | 783.36 | 1568.63 | 117.36 | 235.00 |
| IR cable | 188.65 | 1432.28 | 4779.29 | 270.20 | 901.61 |
여기서 PHRR은 최대 열방출률(Peak of heat release rate), Avg. SEA는 평균 비감쇠면적(Average specific extinction area), TSR은 총 연기발생량(Total smoke release)을 의미한다. 비감쇠면적은 시험편이 연소되면서 감소하는 질량에 따른 연기발생량으로 표현된다(24).
SP의 경우, IR 케이블이 최대 열방출률과 평균 비감쇠면적의 값이 Non-IR 케이블보다 큰 값이 측정되었기에 IR 케이블의 SP값이 Non-IR 케이블보다 큰 값으로 측정되었다. Non-IR 케이블은 117.36 MW/kg으로 측정되었으며 IR 케이블은 270.20 MW/kg으로 측정되어 Non-IR 케이블보다 약 2.3배 높은 값이 측정되었다. 이는 IR 케이블이 Non-IR 케이블보다 연소시간 동안 발생되는 연기발생량은 많아지고 그에 따른 연기에 포함되는 열량도 커짐을 의미한다.
SF의 경우, Non-IR 케이블이 235.00 MW/m2으로 측정되었으며, IR 케이블이 901.61 MW/m2으로 Non-IR 케이블보다 약 3.8배 정도의 상당히 큰 차이를 보였다. 이는 지속적인 연기발생에 따른 총 연기발생량에서 기인하였으며, 방사선 조사에 따른 난연제의 연기억제 성능의 저하로 판단된다.
3.3 연소가스 독성지수
Non-IR 케이블과 IR 케이블의 피복재, 절연재에서 검출된 가스의 독성지수(Toxicity index, TI)를 Table 3 및 Figure 7에 나타내었다. 피복재, 절연재 공통으로 검출된 가스는 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 염화수소(HCl), 브롬화 수소(HBr), 플루오린화 수소(HF), 시안화수소(HCN), 질산화물(NOX)가 검출되었으며, 피복재에서는 이산화황(SO2), 아크릴로나이트릴(CH2CHCN)이 추가로 검출됨을 확인하였다. 피복재, 절연재에서 검출된 가스로부터 할로겐계 난연제와 소량의 질소계 난연제가 첨가됨을 확인하였다. SO2의 경우 피복재인 CSPE의 황성분으로 인하여 검출된 것으로 판단된다. 검출된 가스 중 방사선 조사에 따른 변화가 나타난 주요 가스는 CO, CO2, HBr이다.
Table 3
Toxicity Index of Non-IR and IR Cables Obtained from
NES 713
CO2 경우, IR 케이블의 피복재, 절연재가 Non-IR 케이블보다 약 0.2 높은 0.65로 측정되었다. HBr의 경우, IR 케이블의 피복재는 Non-IR 케이블보다 0.36 높은 0.66, 절연재에서는 약 0.8 높은 1.05로 Table 1에 나타낸 치사농도(Cf), 150 ppm을 상회하는 독성지수가 측정되었다. 이는 사용된 할로겐계 난연제 중에서 브롬계 난연제의 성능 저하로 판단된다. 할로겐계 난연제는 열분해 과정을 막아 가연성 휘발성 물질의 양을 줄이거나 연소에 필요한 활성 OH· radical trap 효과에 의해 연소를 억제하는 기능을 한다(25). 활성 OH· radical trap 효과는 식 (6)과 같이 연소에 추진역할을 하는 OH· 라디칼을 할로겐 원소와 반응시켜 연소를 억제하는 효과이다(26,14).
그러나 난연제의 성능저하는 식(6)의 OH· 라디칼의 반응을 감소시켜 식(7)과 같이 CO와 반응하여 CO2를 생성하는 반응을 증가하게 할 수 있다. IR 케이블의 피복재의 낮은 CO 독성지수는 식(7)과 같은 반응으로 인해 CO가 CO2로 전환된 영향일 가능성이 있다.
또한, IR 케이블 피복재의 낮은 CO 독성지수는 방사선 조사에 따른 피복재 표면의 탄화작용으로 인해 시험편이 화염에 노출되었을 때 CO 방출이 다소 적게 발생된 영향도 있는 것으로 판단된다(8).
4. 결 론
본 연구에서는 원자력발전소에서 사용되는 안전등급 케이블에 대해 방사선 조사 시험을 진행하여 방사선이 케이블 화재에 미치는 영향을 분석하였다. 화재 거동은 콘 칼로리미터 시험을 통해 측정된 연소특성 및 연기특성 인자들을 비교하고 연소 시 방출되는 가스에 대해서는 NES 713에 따른 독성지수 분석을 하였다. 결론은 다음과 같이 도출하였다.
1) Non-IR 케이블의 경우 연소가 930 s까지 진행되었으며, IR 케이블의 경우 1,180 s까지 진행되었다. 최대 열방출률의 경우 IR 케이블이 약 38 kW/m2 높게 측정되었다. 또한 최대 열방출률 이후 Non-IR 케이블은 약 25 kW/m2의 열방출률을 유지하였으나 IR 케이블의 경우 열방출률이 다시 증가하는 구간이 존재하였다. 이는 방사선 조사에 따른 난연제의 성능 저하로 인하여 char층이 불안정하게 형성되어 내부 열침투 및 열분해가 일어난 것으로 판단된다.
2) 열방출률의 영향에 따라 IR 케이블의 총 방출열량은 Non-IR 케이블보다 약 2.2배 높게 측정되었으며 그에 따른 총 질량감소율은 약 2.8% 증가하였다.
3) 연기특성의 경우, 연소 시 발생되는 연기에 포함된 열방출의 위험성에 대해서 SP, SF를 이용하여 정량적인 비교를 하였다. SP는 Non-IR 케이블이 117.36 MW/kg, IR 케이블이 270.20 MW/kg으로 약 2.3배 높게 측정되었다. SF는 Non-IR 케이블이 235.00 MW/m2, IR 케이블이 901.61 MW/m2으로 약 3.8배 정도의 상당히 큰 차이를 보였다. 이는 방사선 조사에 따른 난연제의 연기억제 성능의 저하로 판단된다.
4) 연소 시 검출된 가스 중 방사선 조사에 따른 변화가 나타난 주요 가스는 CO, CO2, HBr이다. 피복재의 경우, Non-IR 케이블이 IR 케이블보다 더 높은 독성지수로 측정되었다. 방사선 조사에 따른 피복재 표면의 탄화작용으로 인하여 IR 케이블에서의 CO 방출이 적게 발생된 것이 주요 원인으로 판단된다. 그러나 절연재의 경우, IR케이블에서 HBr이 치사농도(Cf) 이상으로 검출됨을 확인하였다. 이는 앞서 설명한 난연제의 성능저하가 주로 브롬계 난연제에 기인된 것으로 판단된다.
향후 연구에서는 방사선 이외의 열화조건을 고려하여 온도 및 방사선이 케이블 화재에 미치는 영향에 대해서 연구를 진행하고자 한다.
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