원자력시설로부터 삼중수소 사고 누출시 시설 주변 농작물의 삼중수소 오염 평가를 위한 동적격실모델 ECOREA-H3를 개발하였다. 모델의 격실은 크게 대기, 토양, 농작물로 구성되며 농작물은 엽채류 곡물류, 근군류의 3개 소그룹으로 분류하여 각각 독립적으로 모델링하였다. 벼에 대한 삼중수소 피폭실험 해석을 통해 모델의 예측 정확도가 조사되었다. 모델링 결과 추수시 벼이삭의 TFWT 농도는 입력데이터 중 공기의 절대습도, 뿌리흡수비 강우량에 OBT 농도는 공기의 절대습도, 이삭의 성장기간, 유기물의 수소함량의 영향을 상대적으로 크게 받는 것으로 나타났다. 벼이삭 OBT 농도에 대한 모델 계산과 실험 측정값은 잘 일치하였다.
원자력시설로부터 삼중수소 사고 누출시 시설 주변 농작물의 삼중수소 오염 평가를 위한 동적격실모델 ECOREA-H3를 개발하였다. 모델의 격실은 크게 대기, 토양, 농작물로 구성되며 농작물은 엽채류 곡물류, 근군류의 3개 소그룹으로 분류하여 각각 독립적으로 모델링하였다. 벼에 대한 삼중수소 피폭실험 해석을 통해 모델의 예측 정확도가 조사되었다. 모델링 결과 추수시 벼이삭의 TFWT 농도는 입력데이터 중 공기의 절대습도, 뿌리흡수비 강우량에 OBT 농도는 공기의 절대습도, 이삭의 성장기간, 유기물의 수소함량의 영향을 상대적으로 크게 받는 것으로 나타났다. 벼이삭 OBT 농도에 대한 모델 계산과 실험 측정값은 잘 일치하였다.
A dynamic compartment model was developed to appraise the level of the contamination of agricultural plants by accidentally released tritium from nuclear facility. The model consists of a set of inter-connected compartments representing atmosphere, soil and plant. In the model three categories of pl...
A dynamic compartment model was developed to appraise the level of the contamination of agricultural plants by accidentally released tritium from nuclear facility. The model consists of a set of inter-connected compartments representing atmosphere, soil and plant. In the model three categories of plant are considered: leafy vegetables, grain plants and tuber plants, of which each is modeled separately to account for the different transport pathways of tritium. The predictive accuracy of the model was tested through the analysis of the tritium exposure experiments for rice-plants. The predicted TFWT(tissue free water tritium) concentration of the rice ear at harvest was greatly affected by the absolute humidity of air, the ratio of root uptake, and the rate of rainfall, while its OBT(organically bound tritium) concentration the stowing period of the ear, the absolute humidity of air and the content of hydrogen in the organic phase. There was a good agreement between the model prediction and the experimental results lot the OBT concentration of the ear.
A dynamic compartment model was developed to appraise the level of the contamination of agricultural plants by accidentally released tritium from nuclear facility. The model consists of a set of inter-connected compartments representing atmosphere, soil and plant. In the model three categories of plant are considered: leafy vegetables, grain plants and tuber plants, of which each is modeled separately to account for the different transport pathways of tritium. The predictive accuracy of the model was tested through the analysis of the tritium exposure experiments for rice-plants. The predicted TFWT(tissue free water tritium) concentration of the rice ear at harvest was greatly affected by the absolute humidity of air, the ratio of root uptake, and the rate of rainfall, while its OBT(organically bound tritium) concentration the stowing period of the ear, the absolute humidity of air and the content of hydrogen in the organic phase. There was a good agreement between the model prediction and the experimental results lot the OBT concentration of the ear.
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문제 정의
이루어지지 않았다 [10]. 본 논문은 삼중수소사고 유출로 인한 국내 농작물의 오염을 종합적으로 평가하기 위해 개발된 동적격실모델 ECOREA-H3에 대한개요 및 벼에 대한 삼중수소 모의 누출 실험에 대한 모델 적용 결과이다.
가설 설정
모든 농도는 피폭 시 공기 수분의 평균농도(C:)에 대한상대농도로 표시되었다. 0BT농도는 Bq/gDW로 측정되나 단위 통일을 위해 건조시료 1g당 0.6mL의 산화수가 생기는 것을 가정하여 Bq/kgH2O로 환산되었다. 실험 결과 TFWT 농도는 초기 100시간 내에서는 급격히 이후부터는 매우 완만하게 감소하고 있다.
대기에서 가스 상태의 HT(g)가 HTO로 산화되는데 장기간(8~10년)이 소요되므로 대기에서 HT(g)-HTO(1)로의 변화는 무시하였다 [4]. 가스 상태의 삼중수소는 광합성에 직접 참가하지 않을 뿐더러 물에 대한 용해도도 매우 낮아 습침적이 일어나지 않으며, 토양에 건 침적된 후에도 토양 미생물에 의해 HTO로 빠르게 산화되어 물의 순환 사이클에 직접 포함되지 않으므로 HT(g)는 토양 침적만 한다고 가정한다. 원자력발전소에서 HT(g) 형태로 배출되는 삼중수소는 HTO 형태에 비해 상대적으로 매우 작고[11], 토양 침적 속도가 HTO 보다 작은 것을 감안하면 HT(g)의 영향은 실제로는 크게 나타나지 않을 것으로 예측된다.
그림1에 모델 ECOREA-H3에대한 구성격실(compartment)과 이동 경로(pathway)를 보여준다. 대기는 2개 격실 (HTO 및 HT(g)) 로구성되고, 토양은 깊이에 따라 다른 뿌리흡수율을 고려하기 위하여 3개 격실로 나누었으며, 침적 (deposition)과 증발(evaporation)은 표면토양/표면 수(벼의 경우)를 통하여 일어난다고 가정한다. 작물은 종류에 따라 구성격실이 다르다.
곡물 식물은 크게 몸체(body)와 알곡(grain)으로 나누어지며, 몸체와 알곡은 다시 각각 OBT 격실과 HTO 격실 2가지로 구분된다. 대기로부터의 HTO 침적과 호홉 및 증산(assimilation and transpiration) 은 몸체 HTO 격실을 통해서 일어난다고 가정한다. 몸체 HTO 격실은 몸체 OBT 및 알곡 HTO 격실과 서로 삼중수소를 교환할 수 있다.
누출이 시작되기 전 각 격실의 삼중수소 농도는 0 이다. 삼중수소가 누출되는 동안 대기격실의 삼중수소 농도는 누출 평균 농도로 일정하게 유지된다고 가정한다. 대기에서 가스 상태의 HT(g)가 HTO로 산화되는데 장기간(8~10년)이 소요되므로 대기에서 HT(g)-HTO(1)로의 변화는 무시하였다 [4].
다른 값을 가진다. 일반적으로 유기물의 수소 함량비는 해당 농작물의 유기물(지방, 단백질 탄수화물) 구성비와 각 유기물의 수소 함량비 (지방 : 12어保탄수화물 : 7%, 단백질: 6%)의 곱으로부터 구할 수 있으나 본 연구에서는 평균적으로 유기물의 약 8%가 수소로 구성되어 있다고가정하였다 [1, 2], 식(9)~식(10)을 이용하여 작물의 삼중수소의 함량을 성장단계별로 구하기 때문에 본 모델은 작물의 생육단계에 따른 삼중수소오염 효과를 예측할 수 있는 장점이 있다.
그러나 알곡 OBT 격실로 전환된 삼중수소는 세포조직에 비가역적으로 고정된다는 가정과 함께 알곡 OBT 격실에서 몸체 HTO격실로의 이동은 고려하지 않는다. 토양으로부터의 뿌리흡수는 몸체 HTO 격실을 통해서만 일어난다고 가정한다. 다른 밭작물 곡물류와는 다르게 벼의 경우는 관개담수로 인한 표면 수가 존재하므로 표면 수로부터의 물의 흡수에 의한 줄기기부 흡수가 존재한다.
제안 방법
벼의 성장함 수 데이터는 벼를 재배하면서 채취한벼 몸체와 이삭의 건조생 체량과 식(2)와 (3)을 fitting하여 구하였다. 공기의 절대 습도는 우리나라와 비슷한 기후의 일본 데이터를 적용하였으며 [13], 강우량은 기상탑에서 측정된 벼 생육 기간 동안의 평균값이며, 수분 함량비는 벼의 건조 및 습윤 생 체량 차이로부터 구하였다. 벼이삭이 출수 한 후 성장하는 기간은 약 50일로 가정하였으며, 몸체。BT 격실에서 몸체HT0격실 방향 및 몸체 HT0 격실에서 이삭HT0격실 방향의 수소 손실의 반감기는 밀의 경우와 유사한 것으로 보아 UF0TRI[l, 2]와 동일한 값을 적용하였다.
벼 생육 중에 수행된 삼중수소모의 피폭실험에 ECOREA-H3를 적용하였다. 모의실험에 사용한 벼는 장안벼로 야외에서 플라스틱 포트에 재배되었다.
벼의 이식일은 5월 26일, 이삭의 출 수일은 8월 14일이었으며, 추수일은 10월10일이었다. 삼중수소 피폭은 벼를 특별히 제작한 밀폐된 피폭 상자를 이용하여 수행하였다. 삼중수소 피폭은 이삭의 성장 단계에 따라 8월 25일, 9월 1일, 9월10 일 세 번에 걸쳐 독립적으로 수행하였다.
삼중수소 피폭은 벼를 특별히 제작한 밀폐된 피폭 상자를 이용하여 수행하였다. 삼중수소 피폭은 이삭의 성장 단계에 따라 8월 25일, 9월 1일, 9월10 일 세 번에 걸쳐 독립적으로 수행하였다. HTO 용액을 피폭 상자 내의가열판 위에 놓고 오전 9 시경 1시간 동안 가열 증발시켰으며 팬을 작동 시켜 피폭 상자 내부에 골고루 퍼지게 하였다.
원자력시설로부터 삼중수소 사고 누출 시 시설주변 토양 및 농작물의 삼중수소 오염 평가를 위한 동적격 실모델 EC0REA-H3를 개발하였다. 모델 검증의 일환으로 생육중 벼에 대한 삼중수소 모의 피폭 실험에 모델을 적용한 결과 다음의 결론을 얻었다.
주요 입력 데이터에 대한 가식부(이삭)의 TWFT 및 0BT 농도의 민감도 조사를 위해 대표적으로 피폭 실험 D1(피폭일 : 8월 25일)에 대한 추수 시 이삭의 TFWT 및 0BT 농도를 입력 인자 변화와 함께 계산하였다. 그 결과는 그림 2에서 보여준다.
피폭하는 동안 측정된 공기의 온도, 상대 및 절대습도, 공기수분(air moisture)의 평균 HTO 농도의 값들을 표 2에 요약하여 놓았다. 피폭 종료 직후부터 벼 몸체와 이삭을 적당한 시간 간격으로 채취하여 각각 동결건조법과 산화연소장치를 이용하여 분석용 시료를 추출하였으며, 각 시료의 HTO 및 OBT를 액체섬광계수기(LSC)로 측정하였다 [12],
HTO 용액을 피폭 상자 내의가열판 위에 놓고 오전 9 시경 1시간 동안 가열 증발시켰으며 팬을 작동 시켜 피폭 상자 내부에 골고루 퍼지게 하였다. 피폭하는 동안 측정된 공기의 온도, 상대 및 절대습도, 공기수분(air moisture)의 평균 HTO 농도의 값들을 표 2에 요약하여 놓았다. 피폭 종료 직후부터 벼 몸체와 이삭을 적당한 시간 간격으로 채취하여 각각 동결건조법과 산화연소장치를 이용하여 분석용 시료를 추출하였으며, 각 시료의 HTO 및 OBT를 액체섬광계수기(LSC)로 측정하였다 [12],
대상 데이터
를 적용하였다. 모의실험에 사용한 벼는 장안벼로 야외에서 플라스틱 포트에 재배되었다. 벼의 이식일은 5월 26일, 이삭의 출 수일은 8월 14일이었으며, 추수일은 10월10일이었다.
벼이삭이 출수 한 후 성장하는 기간은 약 50일로 가정하였으며, 몸체。BT 격실에서 몸체HT0격실 방향 및 몸체 HT0 격실에서 이삭HT0격실 방향의 수소 손실의 반감기는 밀의 경우와 유사한 것으로 보아 UF0TRI[l, 2]와 동일한 값을 적용하였다. 표면 수 깊이, 뿌리토양 두께, 토양의 공극율, 물의 논 토양침투속도 등은 국내 벼농사 재배 환경과 부합되는 값으로 문헌으로부터 인용하였다[14, 15], 이외 별도로 언급되지 않은 데이터는 국내 자료 미비로 UF0TRI[l, 2]를 참조하였다. 상기모의실험의 경우 HT(g) 형태의 삼중수소는 발생되지 않으므로 HT(g)에 의한 선원항 및 토양 침적은 고려하지 않았다.
이론/모형
가식부와 비가식부는 성장속도와 성장시점, 성장기간이 서로 상이하므로 각각 독립적인 성장 방정식을 적용하는 것이 합리적이다. 식물성장 효과를 고려하기 위하여 몸체와 열매에 대해 각각 다음과 같은 전형적인 S자 형태의 성장 방정식을 적용하였다
성능/효과
모델 검증의 일환으로 생육중 벼에 대한 삼중수소 모의 피폭 실험에 모델을 적용한 결과 다음의 결론을 얻었다. 1) 피폭 후 수십일이 지난 후 추수된 벼 이삭의 TFWT 농도는 공기의 절대 습도, 뿌리흡수비, 강우량 변화에, 이삭 0BT 농도는 공기의 절대습도 및 이삭의 성장기간에 큰 영향을 받는다. 2) 삼중수소로 오염된 농작물 섭취로 인한 선량 평가 시 공기의 절대 습도 및 곡물의 성장 기간이 매우 중요한 입력 데이터이며 본 연구에서 제시한 모델 EC0REA-H3는 평가에 유용하게 적용될 수 있다.
1) 피폭 후 수십일이 지난 후 추수된 벼 이삭의 TFWT 농도는 공기의 절대 습도, 뿌리흡수비, 강우량 변화에, 이삭 0BT 농도는 공기의 절대습도 및 이삭의 성장기간에 큰 영향을 받는다. 2) 삼중수소로 오염된 농작물 섭취로 인한 선량 평가 시 공기의 절대 습도 및 곡물의 성장 기간이 매우 중요한 입력 데이터이며 본 연구에서 제시한 모델 EC0REA-H3는 평가에 유용하게 적용될 수 있다.
따라서 피폭 실험 이의추수 시점(누출 후 약 45일^서관찰된 토양농도는 강우량이 클수록 더 작게 나타난다. 뿌리흡수의 크기는 토양 농도에 비례하므로 결과적으로강우량이 클수록 작물의 물의 TFWT 농도는 감소하였다. 누출 초기에는 이와 반대 현상이 나타나지만 이때는 공기의 삼중수소 농도가 작물의 농도를 지배하므로 뿌리흡수에 간접적인 영향을 주는 강우량의 효과는 실제적으로 나타나지는 않을것으로 예측된다.
6mL의 산화수가 생기는 것을 가정하여 Bq/kgH2O로 환산되었다. 실험 결과 TFWT 농도는 초기 100시간 내에서는 급격히 이후부터는 매우 완만하게 감소하고 있다. 삼중수소 누출기간 동안광합성 작용으로 급격히 증가한 작물의삼중수소 농도는 누출 종료 후 대기 확산으로 공기의 삼중수소 농도가 급격히 감소하면서 증산작용과 호흡으로 다시 빠른 속도로 감소한다.
이와 같이 작물 TFWT 손실 유효 반감기가 손실속도를 결정하는 프로세스에 따라 서로 다른 2~ 3개 구역으로 구분되는 결과는 다른 연구에서도자주 나타난다[16, 17].이삭의 TFWT 농도의 모델 예측값은 누출 초기에 실험 데이터와 비교적잘 일치 하나 시간이 지나 추수기에 가까우면서측정값과 다소 괴리감을 보여준 반면 선량계산시중요한 이삭 0BT 농도의 모델 예측값은 이삭의생육단계별로 측정된 실험 데이터와 최대 2배 이내에서 잘 일치하였다. 본 실험에서 생체량 측정을 위해 채취된 추수시 벼몸체는 토양 아래의뿌리와 기부 줄기는 포함되지 않았으므로 이를 근거로 유도된 성장함수는 실제보다 작은 값의 생체량을 가진다.
그에반해 이삭의 경우는 채취 시 손실되는 부분이 없으므로 이러한 오차 효과는 존재하지 않은 것으로 보인다. 작물 섭취선량 평가 시 중요한 부분은가식부(이삭)이고 곡물 내에 오래 동안 남아있는삼중수소는 0BT임을 감안하면 이삭 0BT에 대한 예측값과 실험값의 비교 결과는 본 모델이 삼중수소 사고 유출 시 쌀 섭취에 의한 선량 평가에합리적으로 적용될 수 있음을 보여주는 것이다.
농도는 피폭 시 공기 수분의 평균농도 (G, Bq/kgH2。) 에 대한 추수시 이삭의 TFWT (Bq/kgHzO) 및 OBT (BqAgH20) 농도의 상대비로 표현하였다. 추수시 이삭의 TFWT 농도는 대략적으로 누출 시 공기의 삼중수소 농도의 0.01% 수준으로 감소하였으나 OBT 농도는 그보다 10배 정도 큰 0.1% 수준으로 감소되었다. 이와 같이 수확되는 이삭의 0BT 농도는 TFWT 농도보다 더 크고, 장기간 식물조직 내에 남아 있으므로 섭취에 의한 선량을 결정하는 주요 인자가 된다.
추수시 이삭의 TFWT 농도는 입력 데이터 중공기의 절대습도 0), 줄기기부 흡수비 (F/), 강우량 (膈), 몸체의 수분 함량비 (fe)의 영향을 상대적으로 더 크게 받았다. 공기의 절대 습도가 커지면 공기 단위 부피당 수분 함량이 커지므로 농도의 희석효과가 생기고 작물로 침적되는 속도 또한 감소하므로 TFWT 농도는 감소한다.
후속연구
향후 본 연구에서 제시한 벼뿐 아니라 무우, 콩, 배추, 감자 등 우리나라 주요 농작물의 삼중수소 모의 누출 실험을 통한 모델 검증과 입력데이터의 개선을 통해 평가 코드의 신뢰성 제고를지속적으로 추진할 예정이다.
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