1. 서 론
국내 원자력발전소(이하 원전)는 화재사건에 대한 원전의 안전성을 확인하기 위해 결정론적 화재 위험도분석(fire hazard analysis)과 함께 화재 리스크를 평가하는 화재 확률론적안전성평가(probabilistic safety assessment, PSA)(1,2)가 수행되고 있다. 화재사건 PSA 모델은 일반적으로 기 개발된 내부사건 PSA 모델을 수정하여 구축한다. 내부사건 PSA에 포함되지 않은 새로운 화재 사고경위 논리는 별도로 개발한다.
지금까지 국내 원전 PSA는 미국의 전력연구원(electrical power research institute, EPRI)에서 개발한 fire PRA implementation guide (FPRAIG)(3)에 따라 수행되어 왔다. 미국의 원자력규제위원회(nuclear regulatory commission, NRC)와 EPRI는 이전에 사용되어왔던 FPRAIG을 개선하여 화재 PSA 신기술 방법인 NUREG/CR-6850(4)을 발간하였다. PSA 수행 시 최신의 방법과 데이터를 사용해야한다는 정책에 따라 최근에 건설 중인 원전이나 가동원전의 리스크 정보활용을 위한 PSA 수행 시에도 NUREG/CR-6850 방법론 기반 화재 PSA를 수행하고 있다(5). 국내에서는 일부 원전만이 NUREG/ CR-6850 방법에 따라 화재 PSA를 수행하였다.
화재로 인해 원전의 노심이 손상되는 리스크인 노심손상빈도(core damge frequency, CDF)는 점화빈도, 화재 심각도, 화재 진압실패확률, 조건부 노심손상확률의 곱으로 다음과 같이 표현된다(4,5).
λk = 화재 시나리오 k 또는 화재구역 k의 화재 빈도(fire frequency)
SFk = 화재 시나리오 k 또는 화재구역 k의 심각도(severity factor, SF)
NSPk = 화재 시나리오 k 또는 화재구역 k의 진압실패확률(non-suppression probability, NSP)
CCDPk = 화재 시나리오 k 또는 화재구역 k의 조건부 노심손상확률(conditional core damage probability, CCDP)
EPRI의 FPRAIG에 따라 수행되어왔던 국내 원전의 화재 PSA 대부분은 자동 진압설비 신뢰도와 수동진압을 고려하여 진압실패확률을 평가하였다(6). NUREG/CR-6850에서는 사건수목(event tree, ET)을 이용한 진압실패 확률 평가 방법을 제안하였다. 이후 NRC와 EPRI는 NUREG/CR-6850의 개선된 수동 진압실패확률 평가 방법과 손상상태(damage state)에 따른 리스크 평가 방법을 제시하였다(7).
본 연구의 목적은 국내 참조 원전의 케이블 포설실(cable spreading room, CSR) 임시 가연물(transient ignition sources) 화재에 대해 방화설비와 시간에 따른 화재 손상상태를 고려하여 리스크를 평가하는 것이다. 진압실패확률 평가는 사건수목을 이용하였으며 CSR에 설치되어 있는 감지기와 물분무(water spray) 진압설비의 신뢰도(reliability) 그리고 시간에 따른 수동 진압실패확률을 고려하였다. 케이블 손상에 대한 시간은 화재모델링을 이용하여 평가하였다. NUREG/CR-6850(4)과 이후 개발된 진압실패확률 평가 연구 결과(7)를 국내 참조 원전의 CSR 화재 리스크 평가에 적용하고 기존 국내에서 사용되었던 방법론과 비교 분석하였다.
국내외적으로 수행되었던 원전의 CSR 화재에 대한 리스크 평가 연구는 확인하기 어렵다. 국내 원전의 화재 PSA에서는 대부분 진압실패 확률 평가시 NRC나 EPRI에서 제공한 데이터를 사용해왔다(4,7). 원전의 방화설비에 대한 신뢰도분석 연구가 국내외적(8,9)으로 일부 수행되었지만 화재 PSA 수행을 위한 원전의 방화 설비에 대한 체계적인 신뢰도분석 연구에는 많은 노력을 기울이지 못했다. 기존 국내외 연구(8,9)에서는 감지기와 진압설비의 개별기기들의 독립 고장에만 주로 관심을 두어왔다. 본 논문의 주요 초점은 방화설비들의 개별 신뢰도 평가에 있지 않고 식 (1)에 기술된 진압실패확률의 체계적인 평가에 있다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 방화 설비와 손상상태를 고려한 화재 리스크 평가 방법과 케이블 손상시간 평가 방법을 기술하였다. 3장에서는 국내 참조 원전의 CSR에 대한 화재 리스크 평가결과와 민감도분석 결과를 기술하였다. 마지막으로 4장에서는 화재 리스크 평가결과에서 도출된 결론을 기술하였다.
2. 방화 설비와 손상상태를 고려한 화재 리스크 평가 방법
2.1 방화 설비 진압실패 확률 평가 방법
화재가 발생하더라도 화재발생 구역의 목표물(targets)을 손상시키기 전, 혹은 인접구역으로 전파되어 인접구역의 목표물을 손상시키기 전에 화재는 감지되고 진압될 수 있다. 이 경우 감지/진압 실패확률 평가는 Figure 1처럼 사건수목을 이용하여 평가한다(7).
발생한 화재의 감지 및 진압이 성공하려면, 이에 소요되는 시간이 목표물 손상에 소요되는 시간보다 짧아야 한다. 화재감지와 진압설비의 고장확률 평가는 신뢰도와 이용도(availability), 그리고 유효성(effectiveness) 평가를 포함한다(10,11). 유효성 평가는 방화 설비가 코드(code)와 기준(standard)에 따라 설계 되었는지 여부와 점화원에 대한 방화 설비의 적합성 평가 등을 포함한다(11). 감지/진압 사건수목에서 진압 실패확률은 사건경위 D, G, J, K에 대한 시나리오의 확률 합으로 계산된다(4,7). 각 사건 경위는 다음처럼 평가한다.
원전의 방화설비 신뢰도가 일반 방화설비 신뢰도보다 좋은 이유는 엄격한 점검(inspection)과 시험(testing)때문으로 판단하고 있다(10). 감지/진압 시간에 대한 평가는 다음처럼 수행한다(12).
• 주제어실 운전원이나 화재감시원에 의한 화재 감시는 즉각(prompt) 감지로 평가해 감지시간을 0 min으로 평가한다.
• 순찰 및 주기적 화재 감시 활동에 의한 화재 감지시간은 순찰 주기의 절반으로 평가한다.
• 접근가능 일반지역의 경우, 발전소 직원에 의한 감지시간은 15 min이다.
• 가스계 소화 설비, 일제살수식(deluge), 준비 작동식(pre-Action), 또는 건식(dry-pipe) 수계 소화 설비(스프링클러 등) 등의 고정 진압 설비는 고정 진압 설비 활성시간(설비 작동신호 발생시간 + 소화제 방출 시간)을 고려한다.
• 감지기와 연동되어 작동되는 진압설비 작동시간은 감지기 작동시간과 동일하다.
2.2 손상상태에 따른 수동 진압실패확률 평가 방법
방화지역 대부분에는 화재 감지기가 설치되어 있어, 특별한 지역을 제외하고는 대부분의 방화지역에서 화재 시작 후 아주 짧은 시간 내에 화재 감지기가 작동된다. 수동진압 실패 확률 평가는 다음 식으로 나타낸다(7).
NSP = 진압실패확율
λ = 진압율 (/min)
tdamage = 목표물(target) 손상시간(min)
tdetection = 화재 감지시간(min)
시간에 따라 화재가 성장하고 확산, 전파됨에 따라 손상되는 목표물들이 달라질 수 있다. 이 경우 시간에 따른 화재 손상상태(fire damage state)를 정의하여 사건수목으로 나타낼 수 있다(7). 화재 손상상태에 대한 시간은 화재 모델링을 통해 평가한다. t1은 목표물 T1의 손상시간, t2는 (T1 + T2)의 손상시간, t3는 (T1 + T2 + T3)의 손상시간이라고 할 경우 이를 Figure 2처럼 시간에 따른 목표물 진압 사건수목으로 나타낼 수 있다. Figure 2에서 수동 진압실패확률은 식 (2)에 나타나 있듯이 지수함수(exponential function)로 표시된다.
2.3 케이블 손상시간 평가방법
케이블 화재를 정확히 모델링하는 해석적 방법이 없고 현재 사용하는 방법 대부분은 실험결과를 바탕으로 한다. 케이블 트레이 화재를 상세 모델링하는 방법은 NUREG/ CR-6850(4)의 케이블 열방출율(heat release rate, HRR) 식을 사용하거나 또는 flame spread over horizontal cable trays (FLASH-CAT)(13) 모델을 사용한다. 이들 방법은 케이블 트레이가 많지 않은 화재 시나리오 분석에 적합하다(13). 본 연구 분석 대상 CSR에는 분석대상 케이블 트레이가 수 백 개가 있고 고려하는 점화원이 임시 가연물이라 상세 모델링 방법을 사용하지 않았다. 케이블 트레이내 케이블 손상시간을 상세히 평가하지 않는 경우에는 다음처럼 평가한다. 수직으로 쌓여있는 수평 케이블 트레이들의 첫 번 트레이가 화재 영향지역(zone of influence, ZOI)에 있다면 첫 번 트레이 위에 있거나 이웃에 있는 케이블 트레이들의 손상시간은 Figure 3(4)에 따라 평가한다. 만일 케이블 트레이 밑이나 상부가 열려있지 않고 막혀(solid) 있다면 Figure 4처럼 평가한다(4,14).
임시 점화원 화재로 CSR 케이블들이 손상되거나 점화될 수 있는 경우는 임시 점화원 화재의 화염높이(flame height)나 플름(plume) 온도이다. 화염높이 식 (4)와, 화원 직경 식 (5), 플름 온도 식 (6), 가상 화재위치 식 (7)은 아래와 같다(15,16).
Lf : flame height (m)
Q·̇: heat release rate (kW)
D : fire diameter (m)
Qd*: Froude Number(0.2~9.1),
임시 가연물경우 Froude Number 0.54(15)
Tp = plume centerline temperature (〬K)
Ta = ambient air temperature (〬K)(293 〬K)
Qc·= convective HRR (kW)
g = acceleration of gravity (m/s2)(9.8 m/s2)
cp = specific heat of air (kJ/kg-〬K)
ρa = ambient air density (kg/m3)(~1.2 kg/m3)
z = elevation above the fire source (m)
z0 = hypothetical virtual origin of the fire (m)
3. 참조원전 임시 가연물 화재리스크 평가
3.1 케이블 포설실 설계현황(5)
참조원전에는 A/B 계열 2개의 CSR이 있으며, 주제어실이나 전기 기기실로부터 현장 기기까지의 제어/계측 관련 모든 케이블들이 수 백개의 케이블 트레이를 통해 지나고 있다. CSR내 캐이블들은 모두 열경화성(thermoset) 케이블들이다. CSR의 점화원으로는 임시 가연물과 정션박스(junction box), 케이블 등이며, 정상 운전 중에는 고온작업이 허용되지 않는다. 화재 PSA에서는 CSR에 임시 가연물이 실제적으로 있는지 여부를 고려하지 않고 분석시 반드시 고려해야 하는 점화원이다(3,4,15).
참조원전의 CSR 크기는 가로 43.89 m, 세로 42.39 m, 높이 5.33 m이다. CSR 바닥에서 1.5 m되는 지점까지의 케이블 트레이들은 상부와 하부가 막혀있다. 현장 답사결과 케이블 트레이 대부분이 1.8 m까지 막혀있고 일부 케이블 트레이들이 1.5 m까지 막혀있다.
참조원전의 CSR에는 광전식 감지기와 물분무(water spray) 진압설비가 설치되어 있으며, 설치된 진압설비는 광전식 감지기와 연동되어 작동한다. CSR 각 방화지역에는 25개 이상의 감지기가 있으며 각 방화지역은 5개로 나누어서 물분무 진압설비가 국부적으로 작동한다.
3.2 임시 가연물 화재에 의한 케이블 손상시간 평가
NUREG-2233(15)에서는 임시 가연물을 엄격히 관리하는 격납건물, CSR 등을 임시 가연물 관리 지역(transient combustible control location, TCCL)으로 분류한다. 본 연구대상 참조원전 CSR도 TCCL이기 때문에 NUREG-2233에서 제시하는 TCCL 임시 가연물 데이터를 이용하여 화재모델링을 수행하였다. NUREG-2233 Table 5-10을 참고하여 만든 Table 1에 임시 가연물의 열방출율 퍼센타일(percentile)에 따른 화염직경과 화염높이, 그리고 케이블 손상 플름 높이가 나타나 있다. 화염높이와 케이블 플름 손상 높이는 식 (4)와 (6)를 이용해 평가하였다. Table 1에서 계산된 화염높이와 플름 높이는 임시 가연물이 위치한 높이 15cm(15)를 포함한다. 임시 가연물에 의해 케이블들이 점화되거나 손상될 수 있는 직접적인 원인은 플름 높이로 확인되었다.
Table 1
Flame Height and Plume Height Due to the Percentile Change of HRR
| HRR percentile | HRR (kw) | Flame height (m) | Plume height (m) |
|---|---|---|---|
| 97.2 | 125.14 | 1.22 | 1.50 |
| 98 | 143 | 1.28 | 1.57 |
Table 2
Plume Height and Cable Damage Time Due to the Percentile Change of HRR
| HRR percentiles | plume height (m) | Number of cable trays in CSR A | Number of cable trays in CSR B | Time for max HRR (min) | Time for cable damage time (min) |
|---|---|---|---|---|---|
| 97.2 | 1.5 | 241 | 237 | 4.9 | 24.91 |
| 98 | 1.57 | 252 | 246 | 5 | 5 |
Table 3
Quantification Results of Each Fire Sequence
Table 4
Sum of Quantification Results of Each Fire Sequence (/yr)
| CSR | G sequence | J sequence | Sum |
|---|---|---|---|
| CSR A | 3.5E-09 | 3.22E-09 | 6.72E-09 |
| CSR B | 3.97E-09 | 4.96E-09 | 8.93E-09 |
Table 5
Sensitivity Analysis Results (/yr)
| CSR | Base case | Case 1) | Case 2) | Case 3) | Case 4) |
|---|---|---|---|---|---|
| CSR A | 6.72E-09 | 5.63E-09 | 6.2E-08 | 6.47E-08 | 3.88E-09 |
| CSR B | 8.93E-09 | 4.48E-09 | 7.04E-08 | 7.61E-08 | 4.57E-09 |
케이블 트레이가 손상될 수 있는 플름 높이를 고려하여 CSR내 케이블 또는 케이블 트레이들이 손상되는 시간을 Table 2처럼 파악하였다. Table 2에서 최대 열방출율 도달시간은 NUREG-2233(15)의 식 (5-1)를 이용하여 평가하였다. NUREG-2233의 식 (5-1)은 식(8)에, 관련 식은 식 (9)~(11)에 다음처럼 표시된다.
Q·peak: 최대 열방출율
tg: 성장시간, tp: 정상지속시간, td: 쇠퇴시간
n1: 성장지수, n2: 감쇠지수(성장지수 2.7, 감쇠지수 0.32)(15)
TER: 총 에너지 발생율(MJ)
Table 2에서 CSR내 케이블 트레이가 바닥에서 1.5 m까지 상.하 덮개가 있고 열경화성 케이블이므로 1.5 m까지의 케이블 트레이들의 손상 시간은 Figure 4의 왼쪽 그림에 따라 평가하였다. 1.5 m 보다 높은 위치에 있는 케이블들 손상시간은 Figure 3에 따라 평가하였다. Table 2에서 열방출율이 98퍼센타일 경우에는 플름높이 1.5 m 이하의 케이블들 손상시간은 약 24.9 min이고, 1.5 m 보다 높은 위치의 케이블들은 케이블 트레이 덮개가 없어 5 min에 손상된다. 식 (1)의 조건부노심손상확률 평가에서 하나의 심각도(SF) 사용 경우에는, 단일 케이블 손상시간을 사용해야 하므로 98퍼센타일 열방출율 사용 경우에는 보수적으로 케이블 손상시간을 5 min으로 평가하였다.
3.3 케이블 포설실 진압실패 확률 평가
임시 가연물(TCCL) 화재에 대한 감지-진압 사건수목이 Figure 5에 나타나 있다. CSR내의 광전식 감지기와 물분무 설비의 신뢰도는 NUREG/CR-6850(4)에서 제시된 일반 데이터와 가정을 사용하여 다음과 같이 평가하였다.
• 감지기 비신뢰도는 0.05로 평가하였다.
• 감지기 이용불능도(unavailability)는 0.01로 가정하였다.
• 물분무(water spray) 진압설비 비신뢰도(unreliability)는 0.05로 평가하였다. NUREG/CR-6850에는 물분무 신뢰도 데이터가 제시되지 않았기에 감지기와 연동되어 작동하는 일제 살수식 진압설비 신뢰도 데이터를 사용하였다.
• 진압설비 이용불능도는 감지기와 마찬가지로 0.01로 평가하였다.
• CSR내 감지기와 물분무 설비는 방화 설비 기준에 따라 설치되어 있어 진압설비 유효성(effectiveness)은 1로 평가하였다.
• 물분무 설비는 감지기와 연동되어 있지만 CSR내 물분무 진압설비가 5개 구역에 설치되어 있고 감지기는 25대 이상 설치되어 있으므로 감지기 고장시 진압설비 조건부 고장확률은 0.5로 가정하였다.
따라서 비신뢰도와 이용불능도를 고려한 감지기와 진압설비 고장확률은 각각 약 0.06으로 평가되었다. Figure 5에서 x와 y는 수동진압실패 확률로 화재모델링으로 평가한 목표물 손상 여유시간에 따라 계산된다. Figure 5에서 진압실패 확률 평가가 고려되는 사건경위는 G와 J이다.
식 (1)을 이용한 화재 리스크 평가 시 화재모델링에 기본적으로 사용되는 열방출율은 98퍼센타일이다(4). 이 경우 심각도(severity)는 단일 열방출율을 사용하기에 1로 평가하였다. 시간에 따른 손상상태 사건수목과 진압실패확률이 Figure 6에 나타나 있다. Figure 6에서 임시 가연물 화재의 CSR내 전체 확산은 Figure 3에 따라 화재가 최고 열방출율 도달 후 4 min이라고 보수적으로 평가하였다. 결과적으로 CSR내 전체 화재 확산시간은 9 min으로 평가된다. Figures 5와 6을 하나의 사건수목으로 나타낼 수 있지만 심각도와 손상상태가 많아질 경우 사건수목이 복잡하게 되어 2개의 사건수목으로 나타내었다. Figure 6에서 사건경위에 대한 설명은 다음과 같다.
Figure 6
Damage state event tree and non-suppression probability of CSR TCCL fire increasing with time.
화재 리스크 평가시 이웃 지역으로 화재 전파를 고려하는데, 본 연구에서는 분석의 단순화를 위해서 이웃 지역으로 화재전파는 없다고 가정하였다. CSR TCCL 화재는 TCCL에서 2차 가연물인 케이블로 화재가 확산된다. 수동진압실패 확률 계산 시 케이블 화재 진압률(0.138/min)(17)보다 보수적으로 임시 가연물 화재 진압률(suppression rate) (0.111/min)(18)을 사용하였다. 감지기에 의한 화재 감지 시간은 1 min으로 평가하였다(5). 따라서 Figure 6에서 감지시간 1 min을 고려한 수동 진압실패확률은 NSP(t40) = 1, NSP (t41) = 6.41E - 01, NSP(t42) = 4.11E - 01로 계산된다. 감지기가 고장인 사건경위 J에서는 화재 감지 여유시간이 15 min 보다 짧아 수동진압실패 확률은 1로 평가하였다.
3.4 케이블 포설실 임시 가연물 화재리스크 평가와 민감도분석
Figure 5의 사건경위 G와 J에 대해 Figure 6의 98F40, 98F41, 98F42의 화재 리스크 평가 결과가 Table 3에 나타나있다. Table 3에서 사건경위 번호(sequence number) 첨자 A, B는 각각 CSR A와 B에서의 화재 시나리오를 나타낸다. Table 3에서 각 사건경위의 TCCL 점화원 빈도는 1.9E-06/yr이고 심각도(severity)는 1로 평가되었다(5). Table 4에는 CSR A와 B의 전체 리스크 평가결과가 나타나 있다.
1)의 경우는 EPRI의 FPRAIG에 따라 수행되었던 국내 화재 PSA에서 진압실패확률 평가시 많이 사용하는 방법이다. 2), 3), 4) 경우는 드물지만 국내 화재 PSA에서 사용하는 방법이다. 1)의 경우는 Figure 5에서 자동 감지(AD) 성공확률은 1이기에 사건경위 G만 평가하였다. 국내 화재 PSA(6)에서는 진압 실패확률 평가시 자동 진압설비 비신뢰도에 수동 진압실패확률을 단순히 곱하여 평가하였다. 즉, Figure 6의 98F40의 수동 진압실패확률을 1-NSP(t41)대신 1로, 98F41의 수동 진압실패확률은 NSP(t41)-NSP(t42) 대신 NSP(t41)로 평가하였다. 2)의 경우는 Figure 5에서 사건경위 G로 자동 감지 성공확률은 1이고 자동 진압실패 확률은 1로 평가한다. 3)의 경우는 자동 진압설비를 고려안하기에 자동진압실패 확률을 1로 평가한다.
4)의 경우는 기본 경우인 Figure 5와 유사한데 자동 감지기 고장과 자동 진압설비 고장은 독립이라고 가정한다. 즉, 자동 감지기 고장과 자동 진압설비 고장의 종속성(dependency)은 0이라 가정한다.
Table 5에 민감도 분석 결과가 나타나 있다. 자동 감지기와 자동 진압설비 고장확률이 서로 독립이라고 가정한 4)의 경우가 가장 낮게 평가되었다. 자동 감지기를 고려하지만 자동 진압설비는 고려하지 않은 3)의 경우가 가장 높게 평가되었다. 기본 경우(Base case)와 EPRI의 FPRAIG에 따라 수행되었던 국내 화재 PSA에서 많이 사용하는 1)의 경우에 대한 민감도분석 결과를 비교해보면, 국내 원전 화재 PSA에서 사용해왔던 진압실패 평가 방법론이 다소 낙관적임을 알 수 있다. 1)의 경우와 4)의 경우를 비교해보면 1)의 경우가 다소 높게 평가되었다. 따라서 국내 화재 PSA에서 많이 사용하는 진압실패확률 평가 방법은 자동 감지기와 자동 진압설비가 서로 독립일 경우에는 보수적이지만 그렇지 않은 경우에는 다소 낙관적인 방법이 될 수 있음을 확인하였다. 기본 경우와 2)와 3)의 경우에 대한 민감도 분석결과로부터 화재 리스크 평가 결과는 자동진압설비 신뢰도에 크게 영향받을 수 있음을 확인하였다. 1)의 경우와 4)의 경우에 대한 민감도분석 결과로부터 화재 리스크 평가시 자동 감지기와 자동 진압설비에 대한 종속성 파악이 중요하다는 것을 재확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 방화설비와 시간에 따른 화재 손상상태를 고려하여 진압실패확률을 평가하였다. 분석 대상 국내 참조원전의 화재 시나리오는 케이블포설실의 임시 가연물 화재이다. 플름 높이에 대한 상관 식을 이용하여 열방출율 변화에 따라 손상될 수 있는 케이블 트레이 높이를 평가하고 케이블 트레이 손상시간을 추정하였다. 진압실패확률 평가는 사건수목을 이용하였으며 케이블 포설실에 설치되어 있는 방화설비의 신뢰도와 수동 진압실패확률을 고려하였다. 본 연구 결과, 진압실패확률을 자동 진압설비 고장확률과 수동 진압실패 확률의 단순 곱으로 평가할 경우에, 감지기와 진압설비가 서로 독립인 경우가 아니면 화재 리스크 평가 결과가 다소 낮게 평가될 수 있음을 확인하였다. 또한 케이블포설실의 화재 리스크 평가결과는 자동 진압설비의 신뢰도 고려 유무에 크게 영향 받을 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 분석 대상 참조원전의 감지기와 진압설비의 설계정보가 없어 일반 데이터를 사용해 감지기와 진압설비의 신뢰도를 평가하여 본 연구결과는 참조원전의 실제 리스크를 정확하게 반영하지 못할 수도 있다. 하지만 본 연구에서 수행한 방화설비 신뢰도와 손상상태를 고려한 진압실패확률 평가 접근법은 국내 원전 화재 리스크를 체계적으로 평가하는데 기여할 것으로 판단된다.
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