화학 제조시설 내폭 설계를 위한 폭발열 계산 연구

화학 제조시설에서 발생하는 산업재해 중 폭발 사고는 특히 치명적이다. 문제는 관련 규제나 공정 안전기준을 철저히 준수하더라도 우발적인 폭발이 일어날 수 있다는 점이다. 이에 따라 시설 설계 단계에서부터 폭발 위험을 사전에 예측하고, 피해를 최소화할 수 있는 내폭 설계(Blast Resistant Design)가 필수적으로 요구된다.

 

내폭 설계의 핵심은 폭발물의 위력을 정량적으로 평가하는 것이다. 이를 위해 국제적으로 통용되는 기준 물질인 TNT를 기준으로 다른 폭발물의 에너지를 상대적으로 비교한다. 이때 사용하는 핵심 지표가 바로 폭발열(Heat of Explosion)이다. 특히 국제 규격상 1.3급으로 분류되는 화약, 예를 들어 로켓 엔진에 쓰이는 고체 추진제의 경우, 일반적인 연소 반응이 아닌 우발적 폭발 반응을 가정한 에너지 계산이 별도로 필요하다.

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폭발열 계산 이론

폭약이 폭굉(Detonation)할 때 발생하는 폭풍압은 폭약의 종류, 질량, 방출 에너지에 따라 결정된다. 특정 폭약의 에너지를 TNT 기준으로 환산한 값을 TNT 등가계수라 하며, 이를 이용해 TNT 등가약량을 다음과 같이 계산한다.

$$M_E = \frac{H_{EXP}}{H_{TNT}} \times M_{EXP}$$

여기서 $M_E$는 TNT 등가약량, $H_{EXP}$는 해당 폭약의 폭발 에너지, $H_{TNT}$는 TNT의 폭발 에너지, $M_{EXP}$는 폭약의 실제 질량이다.

 

폭발열 계산에는 실온 근사계산법(Room Temperature Method)을 활용한다. 이 방법은 298.15K(약 25°C)의 온도 조건에서 반응 전후의 내부 에너지 차이로 폭발열을 계산한다.

$$H_{EX} = |U_{prod} - U_{react}|$$

실온 근사계산법의 가장 큰 장점은 동결 온도(물질이 냉각되어도 생성물 비율이 변하지 않는 온도)를 지정할 필요가 없다는 점이다. 따라서 알루미늄이 포함된 복합 추진제처럼 동결 온도를 사전에 알기 어려운 물질에도 효과적으로 적용할 수 있다.

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폭약 및 산화제의 폭발열 계산 결과

대표적인 군용·산업용 폭약인 TNT, RDX, HMX에 대해 열화학 계산 코드(CEA)로 폭발열을 계산하고 문헌값과 비교한 결과, 오차가 모두 3% 이내로 나타나 실온 근사계산법의 신뢰성이 확인되었다.

 

고체 추진제의 산화제로 널리 쓰이는 과염소산 암모늄(AP, NH₄ClO₄)의 폭발열은 472 cal/g으로 계산되었으며, 오차는 0.21%에 불과했다. AP의 TNT 등가계수는 0.44로, TNT 대비 약 56% 수준의 에너지를 보유한 것으로 평가되었다.

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고체 추진제의 폭발열 계산 결과

로켓 등에 사용되는 컴퍼지트 추진제는 일반적으로 산화제인 AP 약 70%, 금속 연료인 알루미늄(Al) 14~18%, 바인더(HTPB) 10~16%, 기타 첨가제로 구성된다. 알루미늄이 없는 AP 70% + HTPB 30% 조성의 추진제 폭발열은 397 cal/g, TNT 등가계수는 0.37로, AP 단독보다 7% 낮게 나타났다.

 

알루미늄 비율을 14%에서 18%까지 변화시키며 계산한 결과, 알루미늄 함량이 증가할수록 폭발열도 소폭 증가하는 경향을 보였다. 대표적인 컴퍼지트 추진제 조성(HTPB/AP/Al = 15/70/15 기준)의 평균 폭발열은 432 cal/g, TNT 등가계수는 0.4 수준으로 산출되었다.

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결론 및 활용

본 연구는 실온 근사계산법이 복잡한 조성의 폭발물에도 3% 이내의 높은 정확도로 폭발열을 계산할 수 있음을 검증했다. 핵심 결과를 정리하면 다음과 같다.

• AP(과염소산 암모늄) TNT 등가계수: 0.44
• AP + HTPB 바인더 혼합 추진제 TNT 등가계수: 0.37
• 일반 컴퍼지트 추진제(Al 포함) 평균 TNT 등가계수: 0.40

이 결과는 화약류 제조·저장 시설의 내폭 설계 시, 우발적 폭발 시나리오에서 고체 추진제의 위력을 TNT의 약 40% 수준으로 설정하는 근거로 활용될 수 있다. 정확한 폭발 위력 추정은 시설 구조물의 안전 여유를 합리적으로 결정하는 데 직접적으로 기여하며, 궁극적으로 산업재해 예방과 인명 보호에 중요한 역할을 한다. <끝>