A Study on Consideration Review for Designing Sodium Metal Fire Suppression and Extinguisher Performance Tests

의홍 황; 동하 장; 승태 홍; 동군 남; 우섭 임

doi:10.7731/KIFSE.d4d819e8

Fire Sci. Eng. > Volume 39(2); 2025 > Article

Na금속 화재⋅소화시험 설계 시 고려사항 조사 연구

Research Paper

The Korean Institute of Fire Science & Engineering 2025;39(2):44-56.

Published online: April 30, 2025

DOI: https://doi.org/10.7731/KIFSE.d4d819e8

Na금속 화재⋅소화시험 설계 시 고려사항 조사 연구

황의홍^†, 장동하, 홍승태^*, 남동군^*, 임우섭^**

KFI 소방기술연구소 선임연구원

* KFI 소방기술연구소 책임연구원

** KFI 소방기술연구소 수석연구원

A Study on Consideration Review for Designing Sodium Metal Fire Suppression and Extinguisher Performance Tests

Euy-Hong Hwang^†, Dong-Ha Jang, Seung-Tae Hong^*, Dong-Gun Nam^*, Woo-Sub Lim^**

Senior Research Engineer, R & D Laboratory, Korea Fire Institute

* Principal Research Engineer, R & D Laboratory, Korea Fire Institute

** Chief Research Engineer, R & D Laboratory, Korea Fire Institute

^† Corresponding Author, TEL: +82-31-289-2958, FAX: +82-31-287-1067, E-Mail: heh2415@kfi.or.kr

Received January 10, 2025 Revised February 18, 2025 Accepted February 18, 2025

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

요 약

Li, Na 등 금속화재 대응을 위해 소화기 성능시험 관련 기준의 필요성을 직면하고 있다. 이에 Na금속 화재 및 소화실험 설계 시 고려사항을 파악하고자 국내⋅외 연구사례 및 규정사항을 조사하였다. 연구사례에서는 키워드분석을 실시하여 핵심키워드 3개(fire, sodium, pool)와 보조키워드를 도출하였고, 이를 기반하여 연구 세부사항 검토하고 국내⋅외 규정현황 등과 비교⋅분석하였다. 결과적으로 설계화원, D급 소화기, 안전조치 등 고려사항 선별하였고 설계 절차의 작성 예시를 나타내었다. 결론적으로 설계화원은 pool 형태의 액상 Na화재로써 구성하고 D급 소화기는 13.6 kg로서 분말계열 사용을 선정하였고, 안전조치로서 전처리용 장비와 개인용 보호구 등을 사용해야 함을 확인하였다.

ABSTRACT

This study addresses the necessity of establishing performance test standards for fire extinguishers used in suppressing metal fires, particularly those involving Li and Na. To determine key considerations for designing fire suppression and extinguishment tests for Na metal, a comprehensive review of domestic and international research studies and regulations was conducted. A keyword analysis identified 3 essential terms, i.e., Fire, Sodium, and Pool, along with several subsidiary keywords, forming the basis for a detailed examination of relevant research. Additionally, domestic and international regulatory frameworks were compared and analyzed. Consequently, critical factors such as design fire specifications, class D fire extinguisher requirements, and safety recommendations were identified. Furthermore, an example of a structured design procedure is presented. The findings confirm that the design fire should involve a pool-type liquid Na fire, the required class D fire extinguisher should have a capacity of 13.6 kg, and appropriate pretreatment equipment with personal protective gear should be employed to ensure safety.

KeyWords: Sodium fire test, Class D fire extinguisher test, Designing test procedure, Consideration review

1. 서 론

금속화재의 위험성 등과 관련한 연구가 지속적으로 수행됨에 따라 2024년 7월 25일에 마그네슘(Mg) 합금칩 화재에 대한 소화기 성능시험방법이 기술기준으로서 마련되었다(1). 그러나 2024년 6월에 발생한 화성 전지공장 화재 이후, 리튬(Li), 소듐(Na), 포타슘(K) 등 다른 금속에 대한 소화기 성능시험 관련 기준 도입의 요구를 새롭게 직면하고 있다(2). 특히, Na금속은 원자력발전소를 비롯하여 금속제조 및 가공공장, 저장창고 등에서 활용 또는 취급되고 있는데 최근에는 Na이온전지, Na금속전지 등 대체에너지원의 원자재로서 그 활용처가 증대되고 있다(3). Na금속화재의 초기대응 및 소화방법 등을 개발하기 위해서는 기본적으로 Na금속의 화재특성(위험성, 반응성 등)과 적응 소화기(약제, 방사시간, 충전량 등)를 우선적으로 파악해야 한다(4). 이에 Na금속 화재 및 소화시험의 설계절차 및 안전, 실험방법 및 성능수준, 장소 및 환경구축 등 다양한 측면에서 고려되어야 한다.

따라서, 이 연구는 Na금속 화재 및 소화시험의 설계절차 등에 활용될 수 있는 설계 시 고려사항 조사를 목적으로 수행되었다. 연구목적의 달성을 위한 문헌검토 및 분석을 수행하였고, 검토항목으로 연구사례와 규정사항을 선정하였다. 검토항목 중 연구사례에 대해서는 Na금속화재 및 소화 등과 관련한 전반적인 사항과 관계된 자료를 수집하고 키워드와 실험내용을 분석하였다. 규정사항은 국내의 관계법령 및 기준 등을 수집한 후 관련 해외규정 등과 실험방법 및 절차에 대해 비교⋅분석하였다. 결론적으로 분석결과에 대해 논의하였고 화재 및 소화시험 설계 시 고려해야 할 사항을 선별하였다.

2. 문헌검토

2.1 연구사례 수집 및 분류

Table 1은 Na금속화재와 관련된 연구사례를 나타낸 것으로 선행연구를 바탕으로 총 53개의 문헌을 수집하였다(5). 수집한 문헌은 선행연구에서 금속화재와 관계된 문헌조사를 수행한 내용 중 Na, K 및 기타문헌 등에서 화재⋅소화 실험과 관련한 내용을 추출하여 검토하였다. 연구사례는 원자력, 화재⋅소방으로 관련 기관에 따라서 구분한 후 국가별로 국내, 일본, 중국, 인도, 미국, 영국, 프랑스로 구별하였다.

Table 1

Research Cases Related to Na Metal Fires

Content	Cases [Ref.]		Total
Content	Atomic Power	Fire⋅Extinguishing	Total
Domestic	5 [4, 6-9]	2 [35-36]	7
Japan	7 [10-16]	1 [37]	8
China	×	6 [38-43]	6
India	4 [17-20]	×	4
U. S. A	9 [21-29]	6 [44-49]	15
U. K	2 [30-31]	3 [50-52]	5
France	3 [32-34]	5 [53-57]	8
Total	30	23	53

먼저, 원자력 관련 기관에서는 원자로의 냉각을 Na를 활용한 설비의 화재 대응연구를 주로 수행해 왔음을 확인할 수 있다. 국내의 한국원자력연구원에서 수행한 대표적인 연구로는 Na화재와 관련된 소화약제 관련 특허 및 실험(6,7), Na화재에 대한 방호대책 및 옥내저장소 등에 설치하는 소화설비 검토(8,9), Na 저장 및 취급 관련 지침서의 개발이 수행되었다(4). 일본은 power reactor and nuclear fuel development corporation (PNC)와 Japan nuclear cycle development institute (NCDI) 등에서 연구를 수행하였다. PNC의 경우 Na금속화재의 소방시스템 기초실험(10), Na금속화재 관련 실험 및 코드개발(11,12), Na금속화재 및 누출관련 사례분석 등을 수행하였다(13). NCDI는 Na금속의 연소특성 및 물반응성(14), Na연소 시 열방출예측(15), Na풀화재의 수치해석을 수행하였다(16). 인도는 India atomic energy commission (IAEC)와 India gandhi center for atomic research (IGCAR)에서 연구를 수행하였다. IAEC는 Na화재의 소화기술에 대해 실험적으로 고찰하였고(17), IGCAR은 Na 급속냉각로(SFR)에 대한 유출화재, 풀화재 등 특성분석 및 시나리오 등을 개발하는 연구를 수행하였다(18-20). 미국은 the atomic energy commission (AEC), atomics international (AI) 등에서 수행하였다. AEC에서는 Na의 방사화학(21), Na 기술동향(22), 관련 핸드북 등 개발연구를 수행하였고(23-27), AI에서는 Na화재 특성(28), 화재진압평가방법 연구를 수행하였다(29). 영국은 nuclear power construction company (NPC) 등에서 연구를 수행하였고 주요내용으로 Na금속화재 사례분석 및 전반적인 개요(30), Na 금속을 포함한 알칼리 금속류의 반응특성 등을 검토하였다(31). 프랑스는 atomic energy commission (AEC) 등에서 연구를 수행하였고, 주요내용으로는 액상 Na금속의 풀화재 및 스프레이화재의 발화특성을 분석한 내용(32,33), Na금속화재의 소화방법에 대해 연구하였다(34).

다음으로, 화재⋅소방 관련 기관에는 정부⋅공공⋅군 관련기관, 대학기관, 유관기업 등이 존재한다. 이러한 기관에서는 원자력발전소 뿐만아니라 위험물 제조소, 공장시설 등 다양한 활용처에서 발생할 수 있는 위험성에 대한 대응⋅소화방법 관련 연구로서 범위를 확장하였다. 국내에서는 정부 및 대학 등에서는 대부분 Mg과 관련한 금속화재 연구가 진행되었음을 확인하였기에 기업에서 Na, Li 등 알칼리금속에 대하여는 가스계소화약제 분위기에서의 물 반응성 실험이 일부 진행된 것을 확인하였다(35,36). 일본은 공공기관에 해당하는 fire research institute (FRI)에서 알칼리금속(Na, Li)에 대한 화재 및 소화실험을 수행한 바가 있다(37). 중국은 대학기관에서 연구를 수행하였는데 Na 유형에 따른 화재 및 연소특성(38,39), 흑연 등 약제를 이용한 Na화재 진압방법 등이 존재한다(40-43). 미국은 군 관련기관, 대학기관, 유관기업 등 다양한 곳에서 연구를 수행하였다. 주요내용으로 Na금속 화재에 대한 소화기 및 소화약제 개발연구(44-47)와 Na수소화물 등 혼합물에 대한 화재진압방법등이 존재한다(48,49). 영국은 Na 화재안전 및 특성 등 실험연구(50,51)와 수치해석 연구가 수행되었다(52). 프랑스는 Na 화재의 유형 및 특징(53-55), 사례연구 및 수치해석 연구 등이 수행되었다(56,57).

2.2 연구사례의 키워드 분석

전반적인 연구실험의 설계 방향을 설정하기 위해 키워드 분석을 실시하였다. Table 2는 연구사례 중 키워드가 명시된 25건의 문헌에서 수집한 133개의 키워드를 나타낸 것이다. 키워드 이외의 연구제목, 요약, 주요내용 등은 제외하였다. 이는 수집된 문헌의 수가 제한되는 상황에서 과도한 데이터를 분석하기에는 편협적인 결과를 도출할 수 있고, 설계 방향을 설정할 때 불필요한 조사나 접속사 등을 최소화하기 위함이다. 이러한 연구문헌 등은 통상적으로 논문, 보고서, 매뉴얼(책자)의 형식이여서 키워드를 명시하고 있으나 오래되었거나 키워드 발췌가 되지 않은 문헌이기 때문에 키워드가 별도로 존재하지 않은 것으로 확인된다. 정리된 133개의 키워드는 분석을 통해 핵심이 되는 3개의 키워드를 추출하였다. 분석방법으로는 133개로서 단어 또는 어구 형태로 되어 있는 키워드의 활용빈도 등을 바탕으로 1차 분석하였고, 133개 중 어구 형식으로 된 키워드를 세분화하여 128개의 단어를 추가한 261개의 키워드에 대해서 2차 분석으로서 최종 분석하였다. 1차 분석의 경우 1회 언급한 키워드가 133개 중 92개로 전체의 69.17%이고, 105개의 분류항목으로서 적용하였을 때 87.62%로 확인되었다. 2차 분석에서는 1회 언급한 키워드가 261개 중 81개로 전체의 31.03%이고, 122개의 분류항목으로서 적용하였을 때 66.39%로 확인되었다. 2회 언급한 키워드의 경우는 261개 중 22개로 전체의 8.43%이고, 122개 분류항목으로서는 18.03%로 확인되었다. 이러한 결과가 2~3단어로서 구성된 어구에 대한 연구 키워드로서 유의미함을 나타내기 때문에 키워드 발췌한 결과를 어구 형태로서 재가공하는 방안도 고려할 필요가 있다.

Table 2

Keyword Organization of Research Cases Related to Na Metal Fires

No	Keywords	Cases [Ref.]
1	Sodium, Fire, Extinguish Agent, Patent, Analysis, Component	6 [4]
2	Sodium, Sodium Fire, Fire Extinguishing Material, Sodium Storage Facility, Firefighting, Metal Fire	6 [7]
3	Sodium, Metal Fire, Firefighting Materials, Fire Extinguishing System	4 [8]
4	Sodium, Storage, Handling, Sodium Fire, Extinguishant, Cover Gas, Protective Equipment	7 [9]
5*	LMFBR Type Reactors, Sodium, Fire, Sodium Leak, Sodium Pool Combustion, Combustion Heat, Diffusion Flame, Heat Transfer, Mass Transfer, Reactor Safety, Computer Calculations, Computer Codes	12 [11]
6	Chemistry, Fire, Liquid Metal	3 [14]
7*	LMFR, Sodium Fire, Sodium Oxides, Instantaneous Chemical Equilibrium, Diffusion Flame, Aerosol, Aerosol Transport, Release Fraction	8 [15]
8	Fire Safety, Sodium Pool Fire, Numerical Simulation	3 [16]
9*	SFR Safety, Sodium Fire Safety, Sodium Pool Fire, Pool Spreading, Instantaneous and Continuous Spills, Integral Spreading Model	6 [18]
10*	Sodium Aerosols, Aerosol Modeling, HAARM Code, Aerosol Size Growth, Method of Moments	5 [19]
11	SFR Safety, Sodium Pool Fire, Liquid Spill Spreading, Viscous-Gravity Current, Shallow Layer Model	5 [20]
12	Sodium, Fire, Powder, Physicochemical, Extinction	5 [34]
13	SFR, Argon, Metal Fire, Clean Gas Agent, Sodium	5 [35]
14	Inert Gas, Extinguishing Agent, Metal Fire, Oxygen Concentration, Metallic Combustibles	5 [36]
15	LMFR, Sodium, Columnar Flow, Columnar Fire, Pool Fire, Spray Fire, Temperature Field	7 [38]
16	Sodium Fire, Extinguishing, Expandable Graphite, Stearate Sodium, Core-Shell Structure	5 [39]
17	Sodium Spray Fire, Particle Generation, SFR, Numerical Model Development	4 [40]
18	Fire Extinguishing, Expandable Graphite, Sodium Fire, Fire Control Mechanism	4 [41]
19	Fire Suppression, Expandable Graphite Powder, Sodium Fire, Fire Control Mechanism	4 [42]
20	KHCO₃, Suppressants, Hydrophobic Properties, Decomposition, Crystal Phase	5 [43]
21	Engineering Test, Fire Extinguishers, Test Procedure, Test Methods and Techniques	4 [44]
22	Hydrogen Safety, Combustible Dusts, Fire Suppression, Suppression Agents, Hydrides, Hydride Fires	6 [48]
23*	LN₂, Metal Combustion, Pool Fire, Suppression Agent	4 [49]
24	Sodium Fires, Severe Accident Modeling, Historical Archives, Knowledge Preservation, ASTEC-Na	5 [56]
Total		133

Note

^* 5. LMFBR: Liquid Metal-Cooled Fast Breed Reactors

* 7. LMFR: Liquid Metal-Cooled Fast Reactors

* 9. SFR: Sodium-Cooled Fast Reactor

* 10. HAARM: Heterogeneous Aerosol Agglomeration Revised Model

* 23. LN₂: Liquid Nitrogen

Figure 1은 키워드 분석 주요결과를 정리하여 나타낸 것이다. 1차 분석과 2차 분석에서 나타나는 차이점으로는 1차 분석의 키워드 순위가 sodium이 가장 높았던 것에 비해 2차 분석에서는 fire가 더 높은 것을 확인할 수 있다. 총 빈도수에 대해서도 1차 분석에서는 1위(sodium, 8회), 2위(sodium fire, 6회), 공동 3위(fire & metal fire, 각 4회), 5위(sodium pool fire, 3회) 등으로 확인되었고 2차 분석에서는 1위(fire, 35회), 2위(sodium, 27회), 3위(pool, 7회), 공동 4위(aerosol & metal & safety, 각 6회) 등으로 확인되어 각각의 키워드의 빈도도 2차 분석에서 더 높은 것으로 확인되었다.

Figure 1

Analysis result of keywords.

Figure 2는 키워드 분석 결과를 워드 클라우드에 적용하여 그래픽화 하여 나타낸 것이다. 현재 상용화된 워드 클라우드들은 어구형식보다는 단어로서 우선 선별 및 분석하기 때문에 1⋅2차 분석 결과에서 큰 차이는 없는 것으로 확인되었다. 결과적으로 3개의 핵심키워드인 fire, sodium 그리고 pool을 발췌하였고 8개의 보조키워드(aerosol, metal, safety, agent, extinguishing, model, suppression, SFR)를 발췌하였다.

Figure 2

Extracting 3 main keywords via word cloud.

2.3 주요 연구사례의 실험 세부사항 검토

Table 3은 fire, sodium, pool 등 핵심키워드 및 보조키워드를 포함한 주요 연구사례에서 수행하였던 실험 세부사항을 검토한 결과를 나타낸 것이다. 다만, 별도의 키워드가 존재하지 않은 연구사례에서 직접적으로 관련 실험을 수행한 내용이 있다면 추가 반영하여 검토하였다. 검토결과로 대부분이 5 g~25 g 내외의 Na 화원에 대해 실험하였다. 과거 실험에서는 최대 10 kg 수준의 Na에 대한 실험을 수행하였고, 핫플레이트 이외에 토치 등을 활용한 직접 착화나 버너 팬화원으로써 가열⋅연소한 경우가 존재하였다(17,37,53). 최근 수행된 연구에는 밀폐된 공간에서의 소규모 실험이 주로 존재하는데 아르곤(Ar) 등 불활성기체나 질소(N₂)를 소화약제 또는 화재공간을 제어하는 분위기 가스로서 적용하는 연구로서 수행하였다(35,36,47). 이는 과거에 수행된 금속화재 관련 연구를 기반하여 환경조성 등이 설계되었음을 확인하였다(58). 이외에도 무기질의 분말형태의 물질, 유⋅무기 분말화합물 등을 활용한 소화약제에 대한 실험 등이 수행되었다(40-43).

Table 3

Review to Experiment Details of Research Major Cases

No	Experiment Details		[Ref.]	No	Experiment Details		[Ref.]
No	Summary and Result	Related Photos	[Ref.]	No	Summary and Result	Related Photos	[Ref.]
1	* Sodium Weight 10 g Hotplate Up to 500 °C * Powder (20 g) 13 Cases Na₂CO₃ Etc.		[34]	7	* Sodium Weight 5.5 g Temperature Controller * Powder 4 Cases EG, KNO₃ (g)		[43]
2	* Sodium Weight 10 g Reaction of Water * Gas Agent 6 Cases Ar gas (%)		[35]	8	* Sodium Weight 40 g Hot Plate * Gas Agent 4 Cases Liquid N₂ (600~700 g)		[47]
3	* Sodium Weight 10 g Reaction of Water * Gas Agent 4 Cases Ar, N2 (%)		[36]	9*	* Sodium Weight (0.5~10 kg) Oxy-Acetylene Flame (Direct) * Powder 8 Agent (Alumite Etc.)		[17]
4	* Sodium Weight 5 g Hotplate * Powder 3 Cases EG, SS (g)		[40]	10*	* Sodium Weight 25 g Oxy-Acetylene Flame (Direct) * Powder 7 Cases ABC Etc.		[37]
5	* Sodium Weight 5 g Temperature Controller * Powder 3 Cases EG (g)		[41]	11*	* Sodium Fire Case Safety * Agent 7 Cases Powder, Gas Etc.		[50]
6	* Sodium Weight 5 g Temperature Controller * Powder 3 Cases EG, ZB (g)		[42]	12*	* Sodium Weight (0.3~10.5 kg) * Burn Pan 6 Cases Unique Feature		[53]

Note

^* No. 9-12: Case Study Without Keywords / No. 12: Only Fire Experiment

Table 4는 이러한 실험을 위해 준비한 사용자 및 환경적 조치사항 등 안전권고에 대해서 검토한 것이다. 개인용 안전조치에 대해서는 방열복, 방독면, 보안경 등을 착용하여 금속화재 및 소화에 따라 발생하는 유독성⋅부식성 물질 등으로부터 보호조치를 하였다(17,50,53). 이러한 부분이 설계되지 않으면 실험 진행에 있어 나타날 수 있는 인명사고 및 안전문제 등이 초래할 수 있기에 일부 지침으로서 제안한 경우도 존재하였다(14). 아울러 금속의 전⋅후처리를 위한 작업용 장비 및 기구 등의 필요성에 대해서도 언급하여 안전권고로서 사용자 및 환경적 조치사항을 제시하고 있다(28,59). 결과적으로 Na화재는 여러 형태로 발생할 수 있으나 화원시료로서 사용된 양과 소화규모 등에 따라 위험성을 파악하기 위한 방법으로는 물 반응에 따른 착화, 토치점화, 유출화재, 팬화재 등이 확인된다. 아울러 실험을 수행하는 과정에 있어서도 개인안전물품로서 방열복, 보안경, 방독면 등을 착용해야함을 확인하였고, 금속증기나 반응결과물의 유독성, 부식성 등에 대한 대응이 요구됨을 확인하였다. 화원시료의 전⋅후처리에 있어서도 작업대 등이 별도 구축해야함을 확인하였고, 유사 시 대응을 위한 안전장치가 별도로 요구됨도 확인하였다.

Table 4

Review to Safety Recommedations of Research Major Cases

No	Safety Recommendation		[Ref.]	No	Safety Recommendation		[Ref.]
No	User & Ambient and Measures	Related Photos	[Ref.]	No	User & Ambient and Measures	Related Photos	[Ref.]
1	* Sodium Handling Procedures Gas Mask Heat-Radiating Suit Protective Goggles		[14]	4^*	* Sodium Experiment Protective Clothing Chrome Leader Aluminised Asbestos		[50]
2^*	* Sodium Pool Fire Experiment Provide the Person is Fully Covered Up with a Safety Suit		[17]	5^*	* Sodium Experiment Protective Clothing Safety Shield and Working		[53]
3^*	* Removal of Leaking Sodium Collection Barrel Vacuum Head Driving-Gas Cylinder		[28]	6^*	* Sodium Experiment Safety Workbench Glovebox Cylindrical & Moving Compartment Section		[59]

Note

^* No. 2-6: Case Study without Keywords / 6. Additional Reference

2.4 국내 규정사항 수집 및 분석

화재 및 소화시험과 관련된 규정사항에 대해서는 국내의 현시점에서의 기술기준 수준과 국외의 선진기준 개발사례 등을 복합적으로 분석 및 검토해야 한다. 이에 국내 규정사항을 선행적으로 수집 및 분석하고 그 결과를 바탕으로 관련 해외기준 등을 수집하여 분석하였다. 국내 규정사항에는 소방관계법령 등 금속화재 및 소화와 관련 규정을 수집하였다. 금속 자체의 화재특성과 관련하여서는 소방관계법령 중 ｢위험물 안전관리법｣에 따른 위험물이고 확장한 개념으로서는 ｢화재의 예방 및 안전관리에 관한 법률｣에 따른 특수가연물에 해당할 수 있다.

Table 5는 소방관계법령상 규정된 금속 및 금속화합물을 정리하여 나타낸 것이다. 세부적인 내용을 확인해보면 순수 덩어리 또는 분체 형태로서 별도로 규정하고 있는 금속 물질은 Na, K, Mg로 확인되고, 그 중 Na와 K는 제3류 위험물에 해당한다.

Table 5

Metal and Metallic Compound on Fire Safety Regulations

Law	Type	Designated Quantity	Item and Regulations
Enforcement Decree of the Act on the Safety Control of Hazardous Substances (Article 2 and Appendix 1)	Class 1 (Oxidizing Solids)	50 kg	- Inorganic Peroxide (Such as Na₂O₂, K₂O₂, Etc.)
	Class 2 (Combustible Solids)	500 kg	- Iron Powder (Fe), 50 w% or More of which is Passed Through a Standard Strainer of 53 μm - Metal Powder (not include Alkali Metal, Alkaline Earth Metal, Fe, Mg, Ni and Cu), 50 w% or More of which is Passed Through a Standard Strainer of 150 μm - Solid of Mg or Mg-Alloy which Flash Point Less Than 40 °C on 1 Atmosphere, and it is Passed Through a Standard Strainer of 2 mm or Rod Type of Diameter Less Than 2 mm.
	Class 2 (Combustible Solids)	1,000 kg	- Flammable Solids (Out of the Non-Overlapping Class 2 and 3 Substance which Flash Point is Less Than 40 °C on 1 Atmosphere.)
	Class 3 (Pyrophoric and Water-Reactive Substances)	10 kg	- Solid or Liquid (Potassium (K), Sodium (Na), Alkyl Aluminum (R-Al), Alkyl Lithium (R-Li))
		50 kg	- Solid or Liquid (Alkali Metal and Alkaline Earth Metal, Not Include Na, K and Mg) - Solid or Liquid (Organometallic Compound (R-M), Not Include R-AI, R-Li)
		300 kg	- Metal Hydride (M-H), Such as NaH, LiAlH₄ Etc. - Metal Phosphide (M-P), Such as AlP, Ca₃P₂ Etc. - Calcium (Ca) or Aluminum (Al) Carbide, Such as CaC₂, Al₄C₃ Etc.
	Class 5 (Self-Reactive Substances)	200 kg	- Metal Azide (MN3) is Regulate on Enforcement Rule of the Act - Solid or Liquid which Judged Strongly-Reaction (Explosion Hazardous, Burning Pyrolysis) (Such as NaN₃ Etc.)
Enforcement Decree of the Act on Fire Prevention and Safety Control (Article 19 and Appendix 2)	Special Combustible Material	3,000 kg	[Combustible Solids] - Metallic Solid which Flash Point is Between 40 °C or More to Less Than 100 °C - Metallic Solid which Flash Point is Between 100 °C or More to Less Than 200 °C, and Calorific Value is 8 kcal or More per Gram. - Metallic Solid which Flash Point is 200 °C or More, Calorific Value is 8 kcal or More per Gram, and Melting Point is Less Than 100 °C. - Metallic Solid which Liquid Phase from More Than 20 °C and 40 °C or Less on 1 Atmosphere, and Flash Point is Between 70 °C or More to Less Than 200 °C - Metallic Solid which Liquid Phase from More Than 20 °C and 40 °C or Less on 1 Atmosphere, Flash Point is Between 100 °C or More to Less Than 200 °C, and Calorific Value is 8 kcal or More per Gram. - Metallic Solid which Liquid Phase from More Than 20 °C and 40 °C or Less on 1 Atmosphere, Flash Point is Flash Point is 200 °C or More, Calorific Value is 8 kcal or More per Gram, and Melting Point is Less Than 100 °C.

세부적인 내용을 확인해보면 순수 덩어리 형태의 금속으로서 별도 규정되어 있는 것은 Na, K, Mg로 확인되고, 그중 Na와 K는 제3류 위험물에 해당한다. 제3류 위험물은 자연발화성물질과 금수성물질로 구분하는데 알칼리금속(Li 등) 및 알칼리토금속(Be 등) 또는 유기금속화합물(알킬기 등과 알칼리류금속이 결합된 형태)에 대한 물 반응성에 따른 위험성을 내포하고 있어 금수성 물질에 해당한다. 아울러 금속의 수소화물, 금속의 인화물, 금속류(칼슘, 알루미늄)의 탄화물도 넓은 의미에서 유기금속화합물이기 때문에 가연성기체를 발생시킬 수 있는 금수성 물질의 규정여부를 확인할 수 있다. 제3류 위험물 중 가장 강화된 규정으로서 지정수량 10 kg을 적용하고 있는 것은 알칼리금속 중 Na과 K로 확인된다. 한편, 특수가연물의 가연성고체류와 제2류위험물의 인화성고체 등은 대부분 금속 및 금속화합물에는 해당하지 않으나 제1류, 제2류, 제3류, 제5류 위험물로서 규정된 금속 및 금속화합물의 법률적 해석 범위를 벗어났고 물 반응에 대한 위험성이 있는 금속의 합금 등에 대해서 적용 가능하다.

금속화재 대응 및 소화방법 등은 ｢소화기구 및 자동소화장치의 화재안전성능기준(NFPC 101)｣과 ｢위험물 안전관리법 시행규칙｣에서 다루고 있다. 특히, NFPC 101에는 화재의 분류가 규정되어 있는데 금속화재를 D급으로 분류하고 있다. 또한 간이소화용구로서 금속화재의 적응 소화약제에 대해 규정하고 있다. 최근 Mg 합금칩 화재 소화기 시험방법이 도입됨에 따라 D급 소화기가 반영된 것으로 확인된다. ｢위험물 안전관리법 시행규칙｣의 별표 17에는 위험물 제조소 등의 소화설비에 대한 규정사항이 나열되어 있는데 대표적으로 간이소화용구로서 적응 소화약제 등을 수통 및 수조를 활용한 물, 마른모래, 팽창질석, 팽창진주암 등을 규정하고 있다. 이중 마른모래와 팽창질석 또는 팽창진주암이 금속화재에 적응성이 있는 건조분말에 해당한다.

2.5 국외 규정사항 수집 및 분석

금속화재 대응과 분류 등과 관련하여서는 해외 기준에 대해서 수집하였다. 해외 기준으로는 국제표준기준인 ISO와 미국의 민간기관인 NFPA와 UL를 중점적으로 확인하였다. 아울러 ｢소화기의형식승인 및 제품검사의 기술기준｣에 개정사항은 Mg 합금칩 화재를 ISO와 UL기준에서 유사하게 다루고 있다(1).

국제표준기구에서 규정하고 있는 ISO 7165에도 금속화재와 직접적으로 관계된 시험으로 화재 및 소화시험이 존재한다(60). NFPA는 금속화재 대응 관련 기준인 NFPA 484에서는 권장사항을 다룬 지침서로서 다양한 금속의 물성, 금속화재 취급요령, 적응 소화약제 등을 기준에서 제시하고 있다. Na화재에 대한 적응성이 있는 소화약제로는 coke (carbon microspheroids, graphite), Met-L-X, Lith-X, copper poweder, argon, nitrogen이 우수한 것으로 확인되었다. 그밖에 dry flux, dry sand, dry lithium chloride, dry soda ash, dry sodium chloride 등 건조한 분말 형태가 적응성이 있는 것으로 확인된다(61). UL에서는 금속화재와 직접적으로 관계된 시험에는 화재 및 소화시험이 존재하는데 이는 UL 711에서 규정하고 있다(62).

Table 6에 ISO 7165와 UL 711에서 공통적으로 규정하고 있는 사항을 비교하여 나타내었다. 개별적으로는 ISO 7165에는 Mg 금속 파우더시험, Mg 팔레트시험 등도 존재한다. 공통 규정 중 Na과 관련하여서는 SFR 등 원자로 냉각시스템에 적용되기 때문에 배관이나 저장용기의 형태가 원통형으로 구성되는데 공통적으로 시험용기가 원통형 팬 용기로서 구성되는 것을 확인할 수 있다. 아울러 밀폐된 환경에서 크랙 등에 의해서 유출화재나 팬화재는 공기와 접촉되는 화재에 대한 대응이기 때문에 액상금속에 대한 실험방법으로서 개발된 형태임을 확인하였다.

Table 6

Comparison and Analysis of Regulation Related Metal (Class D) Fire Extinguisher (ISO 7165 vs UL 711)

두 기준에서 규정된 대부분의 시험 중 Na을 활용한 시험이 존재하는데 이는 액상금속 화재로서 유출화재와 팬화재 시험으로서 규정되어 있다. 일반사항에 대해 확인해보면 ISO 7165의 경우 13.6 kg의 소화기의 사용규정과 능력단위의 미표시 등을 규정하고 있다. 아울러 시험장소로서 적절한 크기 및 환기가 잘되는 공간의 확보와 직원을 보호하고 화재 잔류물을 처리할 수 있는 안전절차 등을 계획하도록 규정되어 있다. UL 711의 경우도 ISO와 유사하되 소화기 중량에 대한 규정이 별도로 없고, 성분분석을 통해 오용 및 독성에 대한 사항을 검토하도록 권장하고 있다. 또한 전반적인 화재시험시설의 공간과 관련하여 바닥면적과 체적에 대해서 규정하고 있다. 결과적으로 ISO 7165는 소화시험의 절차, 성능판단 등이 명확하게 정리가 되어 있다는 특징을 가지고 있고, UL 711은 성능판단에 대한 기준이 소화기 중량이 정해져 있지 않다보니 제조사가 제시한 규격 및 성능기준을 따르게 되어 있다.

3. 고려사항 선별 및 논의

3.1 일반사항

발췌한 핵심키워드를 바탕으로 sodium pool fire test로서 Na화재 및 소화시험의 수행항목을 설정하였고 Table 7에 Na화재 및 소화시험 설계 시 고려사항을 선별하여 나타내었다. 정리한 내용에서 다루고 있는 사항은 Na화재 및 소화시험의 설계화원에 대한 고려, D급 소화기에 대한 고려, 안전조치에 대한 고려로 구성된다.

Table 7

Consideration of Designing Na Metal Fire and Extinguisher Performance Test

Content	Research Cases		Regulations
Content	Experimental Details	Safety Recommendation	Regulations
Sodium Pool Fire Test (Main Keyword)	Sodium Weight, Pool Fire Source Pot, Lid, Pully Etc. Class D Extinguisher Testbed (Space, Area Etc.)	Heat-Radiating Suit Protective Goggles, Gas Mask Glovebox, Cylindrical & Moving Compartment Section	ISO 7165 UL 711 Not Exist (Domestic)
Subsidiary Keyword	Extinguishing Agent	Aerosol Safety Suppression	Metal SFR

첫 번째는 설계화원에 대한 고려이다. 키워드분석을 통해 도출된 sodium, pool, fire를 기준으로 주요연구 사례를 검토하였고 이와 관련된 규정사항을 분석하였다. 전반적으로 시험방법(물 반응성, 액상화재), 가열장치 및 점화방법, pool 형태의 시험용기, 도르레 등 부가장치의 활용 등에서 차별성이 있음을 확인하였다. 특히, 소화시험의 관점에서는 원자력 관련 냉각설비인 SFR 등의 저장용기, 배관계통 등의 수요처의 의견을 반영한 설계화원 형태(액상 금속의 풀화재) 등 시험방법이 개발되었음을 확인하였다. 이는 SFR 등에 경로상에 액상 금속을 다량 사용하기 때문에 시료중량은 배관유출 시 1.4 kg, 용기 내 화재시 2.7~15.9 kg로 다양하게 구성 되어있음에 상응한다. 두 번째는 D급 소화기에 대한 고려이다. 주요연구사례 및 규정사항을 통해 소화시험은 액상형태로서 가열한 후 소화하는 시험법을 사용하는 것을 확인하였고 D급화재 등에 적용가능한 소화약제로 불활성가스계열과 건조분말계열이 적응성이 있음을 확인하였다. 여기서 불활성가스계열은 밀폐공간 한정하여 효과가 있는 것으로 확인되어 건조분말계열의 소화기의 성능시험이 가능함을 확인하였다. 이는 ISO 7165 등에서 규정된 소화기 용량 13.6 kg 등 현행 국제기준 및 연구사례 수준에서 D급 소화기는 건조분말로서 성능시험 연구가 수행되어 왔음에 상응한다. 마지막으로 안전조치에 대한 고려이다. 주요 연구사례 및 규정사항을 통해 전처리를 위한 시료보관함, 작업대 등이 요구되고, 시험운용자의 안전을 위한 방호벽, 개인안전장비 등이 요구됨을 확인하였다. 이외에도 호흡기, 피부 등 질환방지를 위해 후처리 시에도 부식성물질에 대응하기 위한 보호복 등의 착용 필요성을 검토하였다.

3.2 논의 및 한계

일반사항에서 설계화원의 구성, D급소화기의 선정, 안전 관련 조치사항 등 고려사항에 대해 검토하였고 Na화재 및 소화시험과 관련하여 논의 및 한계를 서술하였다.

첫 번째로 설계화원에서 시료의 구성 및 형태, 점화방법 등에 대한 사항을 위해 sodium 금속의 성분 및 위험성을 확인하는 물 반응성 시험이 선수해야 하는 것도 고려한 후 ISO 7165와 UL 711의 기준에 규정된 관련 시험방법 등을 착안하고자 한다. 아울러, 실험장비⋅시설 등의 구축을 위해서 축소규모실험으로서 선행적으로 수행할 필요성이 있다. 두 번째로 D급 소화기에 대한 고려는 국외에 인증받은 제품 등이 있는지 확인한 후, 질량, 압력, 소화약제 타입 등 해당 소화기에 대한 물성 등을 순차적으로 검토할 필요가 있다. 세 번째로 안전과 관련한 조치사항에도 인명안전으로서 호흡기, 피부 등을 보호조치하는 방안과 화재⋅폭발⋅비산 등 화학반응에 따른 위험성 등을 전⋅후처리를 비롯한 시험 전반적인 과정에서 방호조치를 해야하기 때문에 별도의 보호장비 및 시설 등이 구축될 필요가 있다. Figure 3에 Na화재 및 소화시험의 설계절차의 작성 예시를 나타내었다. 나타낸 설계절차의 실증은 향후 연구에서는 실물 실험의 수행을 통해 Na화재 및 소화시험에 따른 특성을 확인하여 단계적으로 수정⋅보완할 수 있을 것으로 사료된다. Na화재 및 소화시험의 절차, 방법에 대한 구체화 방안 마련과 Na화재 및 소화시험을 위한 장비⋅시설 등 구축방안 등도 향후 실험을 수행하여 논의하고자 한다.

Figure 3

Design procedure of Na (metal) fire & extinguishing test.

이 연구의 한계는 다방면에서 확인된다. 먼저, 키워드분석에 대해서는 fire, sodium 등 전반적인 용어가 핵심키워드로서 발췌되는 것에서 관련 참고문헌으로 구성되기 때문에 도출에서 한계가 있다. 이 연구에서 키워드분석은 대범주로서 방향성을 설정하기 위해 수행된 것이고 차후 세부분석을 수행하여 연구요약, 시험형식 등 주요내용 기반 키워드 등을 분석하여 연구내용을 보완하고자 한다. 다음으로, 문헌 및 규정사항을 기반하여 고려사항을 선별하였기에 단편적인 결과로서 설계방안이 도출되었다는 한계가 있다. 이 연구에서 문헌 및 규정사항은 금속화재 및 소화시험과 관계된 전반적으로 수집된 자료에서 Na에 국한하여 도출한 자료이고 고려사항으로서 최소한으로 요구되는 사항을 파악하고자 수행되었다. 향후 추가적인 고려사항 등 필요한 부분은 관련 통계 등 경향성 분석, 실물실험 등 데이터 수집을 수행하여 이를 지속적으로 보완하고자 한다.

4. 결 론

이 연구는 Na금속 화재 및 소화시험 설계 시 고려사항 조사가 연구목적이고 이를 달성하기 위해 문헌검토로서 연구사례와 국내외 규정사항의 분석을 각각 실시하였다. 연구사례의 분석을 통해 핵심 및 보조키워드의 발췌와 실험세부사항, 안전권고사항 등을 확인하였고, 규정사항 분석을 통해 국내 기준의 실정과 해외 기준의 수준을 확인하였다. 문헌검토의 결과를 통해 고려사항을 선별하였고 최종적으로 도출한 결론은 아래와 같다.

1) 연구사례의 분석을 통해 핵심키워드 3개(fire, sodium, pool)를 발췌하여 sodium pool fire test로서 Na금속 화재 및 소화시험의 수행항목으로 선별하였고 보조키워드 8개(aerosol, metal, safety, agent, extingushing, model, suppression, SFR)를 발췌하였다. 이를 바탕으로 주요연구사례 및 내용을 선별하여 화원시료의 중량, 점화장치 및 방법, 적용소화약제 등 실험 세부적으로 요구되는 사항을 확인하였다. 또한 방열복, 보안경, 방독면과 같은 개인안전물품, 화원시료 전후처리를 위한 작업대 및 안전장치 제작 등 작업자의 안전사항 및 권고조치에 대한 필요성도 확인하였다. 이는 소화약제, 소화기 등 성능수준 평가만큼 시험자가 화원시료를 진압하는 과정에서 발생하는 에어로졸, 분진, 부유물 등과 같은 물질로부터 인명보호와 화재⋅폭발 등으로부터 방호조치 등이 요구됨과 상응한다고 판단된다.
2) 규정사항의 분석을 통해 현재 국내 규정의 특징을 확인하였고 국외에서 규정하고 있는 Na화재 및 소화시험방법 등에 대해 검토하였다. 수행항목으로 설정한 sodium pool fire test는 규정사항 분석을 통해 ISO 7165와 UL711에 금속화재 항목에도 유사한 시험이 존재하고, 실질적인 수요처가 될 수 있는 SFR의 형태 및 모양 등을 고려할 때 적합한 시험방법이라고 판단된다.
3) 고려사항 선별을 통해 설계절차 작성 예시를 제시하였고, 실물실험 등 연구수행을 통해 단계적으로 수정⋅보완하고자 한다. 아울러 Na화재 및 소화시험의 절차, 방법에 대한 구체화 방안 마련과 Na화재 및 소화시험을 위한 장비⋅시설 등 구축방안도 향후 연구를 통해 논의하고자 한다. 또한 연구의 한계인 키워드 세부분석 내용 설정과, 고려사항의 다각적 분석 등은 추가적으로 실시하여 연구수행에 있어 방향성과 내용을 지속 보완하고자 한다.

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Content		ISO 7165	UL 711
General	Weight of Agent	13.6 kg of Medium, Portable Extinguisher	Portable Extinguisher (No Regulation of Weight)
	Competency Unit	Performance Notice on Manufacturer (No Unit)	Performance Notice on Manufacturer (No Unit)
	Safety Plan	Staff Protection and Control Fire Production	Component Anlaysis, Misuse and Toxicity, Accident
	Test Space	Enough Size and Good Ventilation	1600 m³ and More of Space Volume (Floor 15 m × 15 m)
Mg Chip or Turning Fire	Test Content	Mg Chip Ignited by Gas Torch, Fire Extinguisher Performance Test	Mg Chip Ignited by Gas Torch, Fire Extinguisher Performance Test
	Specimen Type	Fire Source (Such as Mg (Alloy), Cutting Oil Etc.) and It’s Size or Weight, Test Apparatus, Steel Plate, Gas Torch Performance	Fire Source (Mg (Chuck), Oils Etc. and It’s Size or Weight (Commercial, Grignard Etc.), Test Devices, Dry Steel Plate, Burning Torch Etc.
	Precedure⋅ Performance	Method (Ignition, Burning, Extinguishing, Performance Etc.)	Method (Igniton, Burning, Suppression Time Etc.)
Mg Simulated Casting Fire	Test Content	Mg Simulated Casting is Upon Steel Pan Medium and Using to Mg Liquid on the Fire and Suppression	Mg Simulated Casting is Upon Steel Pan Medium and Using to Mg Liquid on the Fire and Suppression
	Specimen Type	Mg (Alloy), Weight, Steel Pan, Disable Things Etc.	Mg (Alloy), Weight, Steel Pan, Disable Things Etc.
	Precedure⋅ Performance	Methods (Temperature - Open Lid, Spontaneous Characteristics, Performance Standard Etc.)	Method (Temperature - Open Lid, Spontaneous Characteristics Etc.)
Shallow Liquid Metal Spill Fire (Na Etc.)	Test Content	Liquefy of Sodium Metal (Na) in Pan and Review Fire Characteristics, Fire Exposure.	Liquefy of Alkali Metal (Na, K, NaK) Spilled Pan and Review Fire Characteristics, Fire Exposure.
	Specimen Type	Weight (Commercial Na) Cylindrical Pan Set, Square Pan, Burning Device	Weight (Commercial Na, K, NaK) Cylindrical Pan Set, Square Pan, Burning Device
	Precedure⋅ Performance	Methods (Temperature - Open Lid, Burner Off, Spontaneous Characteristics, Performance Standard Etc.)	Methods (Temperature - Open Lid, Burner Off, Spontaneous Characteristics, Review Details Etc.)
Shallow Liquid Metal Pool Fire (Na Etc.)	Test Content	Liquefy of Sodium Metal (Na) in Pan and Review Pool Fire Characteristics and Extinguishing.	Liquefy of Sodium Metal (Na) in Pan and Review Pool Fire Characteristics and Extinguishing.
	Specimen Type	Depth of Liquefy Metal Pool (Commercial Na), Cylindrical Pan Set, Burning Device	Depth, Shape of Liquefy Metal Pool (Commercial Na, K, NaK), Cylindrical Pan Set, Burning Device
	Precedure⋅ Performance	Methods (Temperature - Open Lid, Burner Off, Spontaneous Characteristics, Performance Standard Etc.)	Methods (Temperature - Open Lid, Burner Off, Spontaneous Characteristics, Review Details Etc.)