원자력발전소의 비상전원계통 위험지역 범위 선정에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 수소에너지를 활용한 수소충전소, 수소버스, 수소연료전지 등 다양한 산업이 주목받고 있으나, 비상전원으로 사용되는 축전지에서 발생하는 수소의 화재·폭발 위험성은 상대적으로 간과되고 있다. 또한, 비상 발전기 연료인 경유도 폭발하한 및 상한 범위가 좁고, 사고사례가 많지 않다는 이유로 화재·폭발 위험성이 충분히 인지되지 않았다. 그러나 원자력발전소에서는 이러한 사고 발생 시 방사성물질의 누출로 인한 피해가 예상되므로 사전 대비가 필수적이다.
본 연구에서는 원전의 비상전원계통 중에서 수소가스 발생으로 인한 화재·폭발 위험성이 있는 축전지계통과, 외부전원상실사고 또는 안전주입신호 시 비상전원을 공급하는 비상디젤발전기계통(이하 EDG계통)을 대상으로 위험지역 범위를 선정하는 것을 최우선 목표로 하였다.
연구 방법으로는 국내외 방폭기술 현황을 검토하고, 국내 기준(KS C IEC 60079-10-1)과 국제 기준(IEC 60079-10-1)을 참조하였다. 위험지역 범위 산정을 위해 KAC 전산프로그램을 활용하였으며, 수소와 경유의 특성을 분석하고 원전 내 축전지계통 및 EDG계통의 입면도와 평면도를 작성하였다. 또한 국내외 연구 결과를 참조하여 위험지역 범위를 산정하였다.
KAC 전산프로그램 계산 결과, 축전지실의 위험지역 범위는 2.1 m로 산정되었으며, 축전지 저장공간이 넓지 않아 실내 전체를 위험지역으로 설정하였다. EDG계통의 경우, 비상디젤발전기실은 3.9m, 연료유저장탱크실은 연료탱크 주변 0.7 m, 연료이송펌프 주변 3.9m로 산정되었다. 범위 내 모든 계통 전기설비는 점화원이 될 수 있으므로 방폭기술을 적용한 설비로 대체하여 화재·폭발 위험에 대비해야 한다.
연구 결과를 바탕으로, 바닷물을 이용한 해수전해시설에서의 NaClO 및 수소생성, 비상디젤발전기(EDG) 가동 불능 시 여러 원전에 전원을 공급하는 대체교류발전기(AAC DG) 등, 원전 내 모든 인화성(가연성) 액체 및 기체의 누출에 따른 화재·폭발 위험을 분석하고, 폭발위험지역 범위를 선정하여 방폭설비를 구축함으로써 사전에 위험을 예방하는 것이 중요함을 확인하였다.
본 연구는 국내 원전에서 처음으로 축전지계통 및 EDG계통의 위험지역 범위를 산정하였으며, 연구 결과를 기반으로 축전지실, 비상디젤발전기실, 연료유저장탱크실에 적합한 방폭설비 설치 등 후속 조치가 이루어진다면, 원전 안전성과 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, various industries utilizing hydrogen energy, such as hydrogen refueling stations, hydrogen buses, and hydrogen fuel cells, have attracted attention. However, the fire and explosion hazards associated with hydrogen generation in batteries used as emergency power sources have been relatively overlooked. Likewise, diesel fuel for emergency generators has a narrow explosive range and few reported accidents, which has led to insufficient awareness of its fire and explosion risks. In nuclear power plants (NPPs), however, such incidents could result in the release of radioactive materials, making preemptive safety measures essential.
This study focuses on determining the hazardous area boundaries of the emergency power systems in NPPs, specifically the battery system, where hydrogen gas generation may pose fire and explosion risks, and the emergency diesel generator (EDG) system, which supplies power in the event of an external power loss or a safety injection signal.
The research methodology included reviewing the current state of explosion-proof technologies, referencing domestic (KS C IEC 60079-10-1) and international (IEC 60079-10-1) standards, and utilizing the KAC computer program to estimate hazardous area boundaries. The properties of hydrogen and diesel fuel were analyzed, and elevation and plan views of the battery and EDG systems were prepared. Hazardous area boundaries were determined with reference to both domestic and international studies.
Results calculated using the KAC program indicated that the hazardous area for the battery room extends 2.1 meters, and due to the limited space, the entire room was designated as a hazardous area. For the EDG system, the hazardous area was determined as 3.9 meters around the generator room, 0.7 meters around the fuel storage tank, and 3.9 meters around the fuel transfer pump. All electrical equipment within these boundaries, which could serve as potential ignition sources, should be replaced with explosion-proof devices to mitigate fire and explosion risks.
Based on these findings, preventive measures were proposed for other systems, including seawater electrolysis facilities producing sodium hypochlorite (NaClO) and hydrogen, and alternative AC generators (AAC DG) that supply power to multiple NPPs during EDG inoperability. By analyzing the release of flammable liquids and gases and establishing hazardous area boundaries, the implementation of explosion-proof equipment can prevent potential accidents.
This study is the first in Korea to determine the hazardous areas of battery and EDG systems in NPPs. If the results are applied to install appropriate explosion-proof equipment in battery rooms, EDG rooms, and fuel storage areas, the safety and reliability of NPP operations can be significantly enhanced.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 방법 및 범위 2
• 제 2 장 관련 문헌 연구 5
• 2.1 화재폭발의 원인 및 폭발성가스의 종류 5
• 2.1.1 화재의 원인 5
• 2.1.2 화재 폭발성가스의 종류 및 범위 7
• 2.1.3 축전지의 수소 특성 9
• 2.1.4 비상디젤발전기의 경유(디젤) 특성 9
• 2.1.5 폭발위험장소의 구분 10
• 2.2 국내외 규정 및 표준 12
• 2.2.1 국제 규정 및 표준 12
• 2.2.2 국내 규정 및 표준 16
• 2.2.3 국내외 축전지 및 EDG계통의 방폭 관련 규정 비교 22
• 2.2.4 온도등급에 따른 가스그룹의 분류 23
• 2.2.5 폭발위험장소의 분류 26
• 2.3 국내외 축전지 및 경유 관련 사고사례 29
• 2.3.1 축전지(수소가스) 화재폭발 사례 29
• 2.3.2 경유 화재폭발 사례 30
• 제 3 장 원전 비상전원공급계통의 개요 33
• 3.1 무정전 전원설비(UPS)의 축전지계통 33
• 3.1.1 개요 33
• 3.1.2 일반적인 구조 33
• 3.1.3 연축전지 35
• 3.2 비상디젤발전기(EDG) 계통 38
• 3.2.1 개요 38
• 3.2.2 계통구성 40
• 3.2.3 기기사양 42
• 3.2.4 운전모드 43
• 3.3 위험지역 범위 선정 47
• 제 4 장 원전 축전지 및 EDG계통의 위험지역 범위 선정 49
• 4.1 원전 축전지 및 EDG계통의 위험지역 선정 개요 49
• 4.1.1 폭발위험장소 구분도 49
• 4.1.2 원전 비상전원계통의 범위와 입면도 및 평면도 50
• 4.2 위험지역 범위 선정을 위한 메커니즘 분석 52
• 4.3 원전 축전지 및 EDG계통의 위험지역 범위 선정 시나리오 56
• 4.4 원전의 정상/비정상 상태에서의 위험지역 범위 선정 57
• 4.4.1 KAC 프로그램 적용한 보수적인 시나리오 선정 57
• 4.4.2 원전 축전지 및 EDG계통의 위험지역 범위 입력변수 선정 57
• 4.5 원전 축전지 및 EDG계통의 위험지역 범위 선정결과 평가 60
• 4.5.1 축전지계통의 위험지역 범위 선정결과 평가 62
• 4.5.2 EDG계통의 위험지역 범위 선정결과 평가 62
• 4.5.3 해석 결과 종합 62
• 제 5 장 결 론 64
• 참고문헌 66
• Abstract 69