방사성오염 물질의 대기 중 확산에 대한 해석은 일반적으로 보수적인 결과를 도출하기 위하여 가우시안 플룸식을 적용한다. 본 연구에서는 가우시안 플룸식을 사용할 경우 반영하기 힘든 복잡지형에 대해 보다 상세하게 공기 흐름과 방사성물질의 이동확산을 해석하기 위하여, 전산유체역학을 이용하여 월성 원자력발전소 부지에 대한 수치해석 연구를 수행하였다. 그 결과, 북서쪽에 위치한 산과 남동쪽에 위치한 바다로 인해 북서풍과 남동풍의 경우에는 지형으로 인한 공기 흐름의 변화가 크게 나타났다. 북서풍은 대기가 산 지형을 따라 흐르면서 수직방향으로 가장 불안정한 흐름을 보이며, 남동풍은 대기가 안정적으로 원전 쪽으로 흘러 들어오나 건물과 지형에 의해 흐름을 방해받아 유동이 급격하게 불안정해진다. 반면 지형에 의한 공기 흐름 방해가 작은 북동풍과 남서풍은 원전 건물에 의해 공기의 흐름이 방해를 받아 건물 뒤쪽으로 후류영역이 크게 형성됨을 확인하였다.
방사성오염 물질의 대기 중 확산에 대한 해석은 일반적으로 보수적인 결과를 도출하기 위하여 가우시안 플룸식을 적용한다. 본 연구에서는 가우시안 플룸식을 사용할 경우 반영하기 힘든 복잡지형에 대해 보다 상세하게 공기 흐름과 방사성물질의 이동확산을 해석하기 위하여, 전산유체역학을 이용하여 월성 원자력발전소 부지에 대한 수치해석 연구를 수행하였다. 그 결과, 북서쪽에 위치한 산과 남동쪽에 위치한 바다로 인해 북서풍과 남동풍의 경우에는 지형으로 인한 공기 흐름의 변화가 크게 나타났다. 북서풍은 대기가 산 지형을 따라 흐르면서 수직방향으로 가장 불안정한 흐름을 보이며, 남동풍은 대기가 안정적으로 원전 쪽으로 흘러 들어오나 건물과 지형에 의해 흐름을 방해받아 유동이 급격하게 불안정해진다. 반면 지형에 의한 공기 흐름 방해가 작은 북동풍과 남서풍은 원전 건물에 의해 공기의 흐름이 방해를 받아 건물 뒤쪽으로 후류영역이 크게 형성됨을 확인하였다.
The interpretation on the diffusion of radiation contaminants in air is usually to apply a Gaussian plume equation that obtains normal distributions in stable air flow conditions to draw a conservative conclusion. In this study, a numerical study using computational fluid dynamics methods was perfor...
The interpretation on the diffusion of radiation contaminants in air is usually to apply a Gaussian plume equation that obtains normal distributions in stable air flow conditions to draw a conservative conclusion. In this study, a numerical study using computational fluid dynamics methods was performed to interpret the air flow pattern and the diffusion of the radiation contaminants at the Wolseong nuclear power plants, and a more detailed solution can be obtained than the Gaussian plume equation, which is difficult to use to simulate complex terrains. The results show that a significant fluctuation of air flow in the terrain appears in the case of a northwester and southeaster because of the mountain located in the northwest and the sea located in the south-east. The northwesterly air flow shows the most unstable flow in the vertical direction when it passes over the terrain of mountain. The stable southeasterly air flow enters into the nuclear power plant from the sea, but it becomes unstable rapidly because of the interference by the building and the terrain. On the other hand, in the case of a northeaster and southwester, a small interruption of air flow is caused by the terrain and wake behind the buildings of nuclear power plants.
The interpretation on the diffusion of radiation contaminants in air is usually to apply a Gaussian plume equation that obtains normal distributions in stable air flow conditions to draw a conservative conclusion. In this study, a numerical study using computational fluid dynamics methods was performed to interpret the air flow pattern and the diffusion of the radiation contaminants at the Wolseong nuclear power plants, and a more detailed solution can be obtained than the Gaussian plume equation, which is difficult to use to simulate complex terrains. The results show that a significant fluctuation of air flow in the terrain appears in the case of a northwester and southeaster because of the mountain located in the northwest and the sea located in the south-east. The northwesterly air flow shows the most unstable flow in the vertical direction when it passes over the terrain of mountain. The stable southeasterly air flow enters into the nuclear power plant from the sea, but it becomes unstable rapidly because of the interference by the building and the terrain. On the other hand, in the case of a northeaster and southwester, a small interruption of air flow is caused by the terrain and wake behind the buildings of nuclear power plants.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 가우시안 플룸식을 적용한 기존의 모델 및 프로그램 사용 시보다 정밀한 공기 흐름을 확인하기 위하여 전산유체역학 기법으로 월성 원전 지역에 대한 수치해석을 수행하였다. CFD 프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여, 월성 원전의 주변 지형과 원전 호기 형상을 구축하여 풍향과 풍속에 따른 공기 흐름을 확인하고 사고 발생 시 배출되는 기체상 방사성물질의 이동 및 농도분포에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 풍향과 풍속에 따라 월성 원전 지역의 지형과 원전 다수호기가 공기 흐름에 미치는 영향을 수치해석 방법을 통해 연구하고, 사고 시 방사성물질의 대기 중 확산을 예측하고자 하였다. 이를 위해 국토지리정보원의 수치지도에서 월성 원전 지역의 지형을 추출하고 CFD 상용프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여 건물 형상을 구축하는 과정을 통해 최종 계산영역을 생산하여 수치해석을 수행하였다.
가설 설정
방사성물질의 대기 중 거동을 원전 시설 주변과 제한구역 경계 내의 비교적 짧은 거리에 대해 보수적으로 평가하기 위하여 일반적으로 가우시안 플룸 모델(Gaussian plume model)을 적용하며 경우에 따라서 모델 식이나 값들을 수정하여 적용한다. 그러나 가우시안 플룸 모델은 평탄한 지형에서 오염물질 확산을 정규분포로 가정한 것으로, 원전 지역의 지형과 원전 시설 구조물에 의한 공기흐름을 세밀하게 반영하지 못한다. 또한, 가우시안 모델식은 풍하방향에 대해 풍속이 일정하다는 가정으로 수직방향에 대한 유체간의 마찰력인 점성력을 반영할 수 없으므로 고도에 따른 유속의 변화를 고려하지 못한다는 한계점이 있다.
또한, 대기 중으로 기체상 방사성물질이 누출되는 가상의 사고 시뮬레이션을 위해 각 원전 호기에 설비되어 있는 4개의 굴뚝에서 방사성물질이 방출된다고 가정하였다. 이 때 방출되는 방사성물질은 137Cs로 각 굴뚝에서 1Bqs-1가 방출된다고 가정하였다.
또한, 대기 중으로 기체상 방사성물질이 누출되는 가상의 사고 시뮬레이션을 위해 각 원전 호기에 설비되어 있는 4개의 굴뚝에서 방사성물질이 방출된다고 가정하였다. 이 때 방출되는 방사성물질은 137Cs로 각 굴뚝에서 1Bqs-1가 방출된다고 가정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 가우시안 플룸식을 적용한 기존의 모델 및 프로그램 사용 시보다 정밀한 공기 흐름을 확인하기 위하여 전산유체역학 기법으로 월성 원전 지역에 대한 수치해석을 수행하였다. CFD 프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여, 월성 원전의 주변 지형과 원전 호기 형상을 구축하여 풍향과 풍속에 따른 공기 흐름을 확인하고 사고 발생 시 배출되는 기체상 방사성물질의 이동 및 농도분포에 대한 연구를 수행하였다.
풍속과 빈도수를 고려하여, 평균과 최대 풍속값을 2 ms-1와 7 ms-1로 입력하였다. 또한, 풍속의 안정(calm) 조건 기준치인 0.5 ms-1에 대하여 추가적인 수치해석을 수행하였다. 계산영역의 inlet에는 고도에 따른 속도 차를 고려하기 위하여 입력되는 풍속값에 대하여 다음의 Deacon 식을 적용하였다.
월성 원전 지역은 북서쪽과 남동쪽으로 바다와 산이 위치하고 있으며 북서풍과 남동풍은 우리나라가 여름과 겨울의 주풍향이므로, 이 지역에서는 풍속 뿐만 아니라 풍향 역시 대기확산에 중요한 변수로 작용한다. 본 연구에서는 우리나라의 주풍향과 원전 인근의 지형, 건물 뒤 후류영역 형성을 고려하여 연구결과가 비교적 뚜렷한 경향을 나타내며 서로 비교 분석하기 용이한 북서풍, 북동풍, 남동풍, 남서풍의 4개 풍향 변수조건에 대해 수치해석을 수행하였다. 풍향에 따른 월성 지역의 지형과 원전 시설물에 의한 공기흐름 영향을 확인하고자 평균 풍속인 2 ms-1를 입력조건으로 하여 계산영역 내 유속변화 및 분포에 대하여 분석하였다.
월성에 위치한 원자력발전소는 4개의 원자로 건물 및 부속건물들로 구성되어 있으며 북서쪽과 남동쪽으로 산과 바다가 위치하고 있다. 북서방향과 남동방향에 위치한 산과 바다의 지형적 영향 및 계절에 따른 주풍향을 고려하고, 북동에서 남서 방향으로 일직선으로 배치되어 있는 원전 건물에 의한 공기 흐름의 영향을 파악하기 위해 정사각형의 도메인 형상을 45도 조정하였다. 계산을 위한 도메인 영역은 Fig.
원자력발전소 및 기타 시설물의 건설과 운전 시에 방사성물질이 시설지역과 인근 환경에 미치는 영향을 조사하고, 방사성물질 방출사고를 대비하기 위하여 시설 내부의 작업자와 인근 지역주민의 건강 및 생활에 미칠 수 있는 영향 등을 사전 평가한다.
6 ~ 9에 나타내었다. 원통형 시설물을 중심으로 북서풍과 남동풍은 x축에 대하여 나타내었고 북동풍과 남서풍은 y축 방향에 대하여 나타내어 각 풍향에 따른 건물의 후류영역을 확인하고자 하였으며 4개의 호기는 북쪽에서부터 오름차순으로 순서를 매겨 나타내었다.
본 연구에서는 풍향과 풍속에 따라 월성 원전 지역의 지형과 원전 다수호기가 공기 흐름에 미치는 영향을 수치해석 방법을 통해 연구하고, 사고 시 방사성물질의 대기 중 확산을 예측하고자 하였다. 이를 위해 국토지리정보원의 수치지도에서 월성 원전 지역의 지형을 추출하고 CFD 상용프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여 건물 형상을 구축하는 과정을 통해 최종 계산영역을 생산하여 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 우리나라의 주풍향과 원전 인근의 지형, 건물 뒤 후류영역 형성을 고려하여 연구결과가 비교적 뚜렷한 경향을 나타내며 서로 비교 분석하기 용이한 북서풍, 북동풍, 남동풍, 남서풍의 4개 풍향 변수조건에 대해 수치해석을 수행하였다. 풍향에 따른 월성 지역의 지형과 원전 시설물에 의한 공기흐름 영향을 확인하고자 평균 풍속인 2 ms-1를 입력조건으로 하여 계산영역 내 유속변화 및 분포에 대하여 분석하였다.
대상 데이터
도메인의 상부면과 풍향에 따른 입출구면을 제외한 측면은 대칭(symmetry) 조건으로 지정하였다. inlet 값으로 입력되는 풍속은 월성 인근의 울산 기상청에서 2001년부터 2010년까지 측정된 10년간의 기상자료[3]를 참고하였다. 10년간의 풍속값을 평균화하여 Table 1에 정리하여 나타내었으며, 2010년의 풍속별 빈도분포는 Fig.
이론/모형
5 ms-1에 대하여 추가적인 수치해석을 수행하였다. 계산영역의 inlet에는 고도에 따른 속도 차를 고려하기 위하여 입력되는 풍속값에 대하여 다음의 Deacon 식을 적용하였다.
방사성물질의 대기 중 거동을 원전 시설 주변과 제한구역 경계 내의 비교적 짧은 거리에 대해 보수적으로 평가하기 위하여 일반적으로 가우시안 플룸 모델(Gaussian plume model)을 적용하며 경우에 따라서 모델 식이나 값들을 수정하여 적용한다. 그러나 가우시안 플룸 모델은 평탄한 지형에서 오염물질 확산을 정규분포로 가정한 것으로, 원전 지역의 지형과 원전 시설 구조물에 의한 공기흐름을 세밀하게 반영하지 못한다.
지배방정식을 이산화하기 위해 유한체적법(finite volume method, FVM)을 이용하였으며, 월성 원전의 복잡지형 및 건물에 의해 메쉬(mesh) 크기는 다양하게 구성하였다. 아래의 식으로 유체의 흐름을 분류하여 벽함수(wall function)에 적용하지만, 일반적인 난류모델에서는 벽 근처의 유동에 대하여 높은 레이놀즈(high y+)에 대한 벽함수를 적용한다[7, 8].
특히, 난류유동에 대한 정확성을 높이기 위해 Shih et al., (1995)에 의해 개발된 Realizable k-e 난류 모델은 표준 k-e 모델을 바탕으로 난류에너지 소산율 ε (turbulent dissipation rate)에 대하여 새로운 수송방정식을 적용시켰다.
성능/효과
계산 결과, 지형에 의한 영향이 미미한 북동풍과 남서풍은 원전 시설물에 의해 후류영역이 생성되며 이 영역에서는 정체되거나 느린 공기유속으로 방사성물질 방출 사고를 가정했을 때 비교적 높은 농도를 나타낸다. 반면, 북서풍과 남동풍은 원전 시설의 북서방향에 위치한 산으로 인해 높은 고도까지 대기가 불안정하게 움직인다.
또한, 상수값으로 대입하였던 Cμ를 수식화함으로써 난류 에너지를 과대평가 할 수 있는 문제점을 보완하여 선회하는 전단흐름(rotating homogeneous shear flow), 경계개방 전단흐름(boundary-free shear flow), 후향계단유동(backward facing step flow) 등과 같은 흐름에서 기존모델보다 정확한 결과를 도출해 낼 수 있다[6].
Realizable k-e 모델과 Two-layer 벽함수 방법을 결합시킨 Realizable Two-Layer k-e 모델은 크고 작은 레이놀즈 수에 대하여 벽함수를 적용시킴으로써 계산영역 내의 메쉬 사이에서 종속변수가 연속성을 가질 수 있도록 완충역할을 한다. 메쉬 크기가 큰 경우 일반적인 난류모델로 해석되고, 메쉬 크기가 점성 저층(viscous sublayer)을 풀
어야 할 정도로 작으면 낮은 레이놀즈 수에 대한 모델로 해석이 가능하므로 본 연구와 같이 복잡지형으로 인해 메쉬의 크기가 다양하게 분포하는 경우에 이용이 적합하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가우시안 플룸 모델은 무엇인가?
방사성물질의 대기 중 거동을 원전 시설 주변과 제한구역 경계 내의 비교적 짧은 거리에 대해 보수적으로 평가하기 위하여 일반적으로 가우시안 플룸 모델(Gaussian plume model)을 적용하며 경우에 따라서 모델 식이나 값들을 수정하여 적용한다. 그러나 가우시안 플룸 모델은 평탄한 지형에서 오염물질 확산을 정규분포로 가정한 것으로, 원전 지역의 지형과 원전 시설 구조물에 의한 공기흐름을 세밀하게 반영하지 못한다. 또한, 가우시안 모델식은 풍하방향에 대해 풍속이 일정하다는 가정으로 수직방향에 대한 유체간의 마찰력인 점성력을 반영할 수 없으므로 고도에 따른 유속의 변화를 고려하지 못한다는 한계점이 있다.
대기확산 및 공기 흐름의 영향을 파악하기 위한 방법으로 전산유체역학을 사용하는데 이는 무엇인가?
최근에는 대기확산 및 공기 흐름의 영향을 파악하기 위한 환경영향평가 방법으로 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 방법을 활용하기도 한다. 전산유체역학은 유체 거동을 지배하는 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식에 따른 연속적인 유체의 지배방정식인 나비아 스톡스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 유체의 거동을 수치해석하는 학문으로 계산영역 내의 유체를 수치적으로 계산하여 가시화한다. CFD는 현재에도 지속적으로 연구개발되고 있는 학문으로 컴퓨터가 발달함에 따라 시간 및 비용 절약 측면이 뛰어나다는 강점이 두드러지고 있다.
가우시안 플룸 모델은 무엇을 평가하기 위하여 적용하는가?
방사성물질의 대기 중 거동을 원전 시설 주변과 제한구역 경계 내의 비교적 짧은 거리에 대해 보수적으로 평가하기 위하여 일반적으로 가우시안 플룸 모델(Gaussian plume model)을 적용하며 경우에 따라서 모델 식이나 값들을 수정하여 적용한다. 그러나 가우시안 플룸 모델은 평탄한 지형에서 오염물질 확산을 정규분포로 가정한 것으로, 원전 지역의 지형과 원전 시설 구조물에 의한 공기흐름을 세밀하게 반영하지 못한다.
참고문헌 (8)
김석철, 김윤석, 박명규, 심우섭. 풍동실험과 CFD 모델을 이용한 복잡지형의 가스확산 연구. 한국대기환경학회 2004 추계학술대회. 77-69.
정효준, 황원태, 한문희, 김은한. 다수호기와 지형을 고려한 복합원자력부지 대기확산 특성 해석. KAERI/RR-3565. 2012.
Patankar SV. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Taylor & Francis. 1980.
Versteeg HK, Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics; The Finite Volume method. 2nd ed. Prentice Hall. 2007.
Shih TH, Liou WW, Shabbir A, Yang Z, Zhu J. A nw k-e eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows. Computers Fluids. 1995;24(3):227-238.
Ariff M, Salim SM, Cheah SC. Wall Y+ Approach for Dealing with Turbulent Flow over A Surface Mounted Cube: Part 1 - Low Reynolds Number. Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries. 2009.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.