인접 국가인 일본의 후쿠시마 원전에서 극한 자연재해로 인한 중대사고가 발생하면서, 국내에서 중대사고 및 확률론적 안전성 평가 (PSA, Probabilistic Safety Assessment)에 대한 중요성이 재인식되었다. 국내에서는 원전의 소외결말을 평가하는 3단계 PSA에 대한 연구개발이 최근까지 거의 이루어지지 않았다. 본 논문에서는 국외 3단계 PSA 전산코드 중, 미국의 MACCS2 (MELCORE Accident Consequence Code System 2), 유럽의 COSYMA (COde SYstem from Maria) 그리고 일본의 OSCAAR (Off-Site Consequence Analysis code for Atmospheric Releases in reactor accidents)에 대한 간략한 분석과 미국의 MACCS2에 대한 단점 및 한계점 분석을 수행하였다. 국내 외 전문가들에 의해 공통적으로 지적되어 온 MACCS2의 한계점은 다수호기사고와 사용후핵연료 저장조로부터의 방출 모사의 불가능, 그리고 대기확산모델을 단순 가우시안 플륨모델을 기본으로 한다는 것이며, 이중 일부는 MACCS2업데이트 버전을 통해 개선되어 왔다. Food chain 모델의 모사의 제한, 해양 및 수계 확산모델의 부재, 제한된 범위의 경제영향평가 등 또한 개선되어야 할 사항이다. 기술보고의 결과는 국내 3단계 PSA 관련 기술 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
인접 국가인 일본의 후쿠시마 원전에서 극한 자연재해로 인한 중대사고가 발생하면서, 국내에서 중대사고 및 확률론적 안전성 평가 (PSA, Probabilistic Safety Assessment)에 대한 중요성이 재인식되었다. 국내에서는 원전의 소외결말을 평가하는 3단계 PSA에 대한 연구개발이 최근까지 거의 이루어지지 않았다. 본 논문에서는 국외 3단계 PSA 전산코드 중, 미국의 MACCS2 (MELCORE Accident Consequence Code System 2), 유럽의 COSYMA (COde SYstem from Maria) 그리고 일본의 OSCAAR (Off-Site Consequence Analysis code for Atmospheric Releases in reactor accidents)에 대한 간략한 분석과 미국의 MACCS2에 대한 단점 및 한계점 분석을 수행하였다. 국내 외 전문가들에 의해 공통적으로 지적되어 온 MACCS2의 한계점은 다수호기사고와 사용후핵연료 저장조로부터의 방출 모사의 불가능, 그리고 대기확산모델을 단순 가우시안 플륨모델을 기본으로 한다는 것이며, 이중 일부는 MACCS2업데이트 버전을 통해 개선되어 왔다. Food chain 모델의 모사의 제한, 해양 및 수계 확산모델의 부재, 제한된 범위의 경제영향평가 등 또한 개선되어야 할 사항이다. 기술보고의 결과는 국내 3단계 PSA 관련 기술 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
The importance of severe nuclear accidents and probabilistic safety assessment (PSA) were brought to international attention with the occurrence of severe nuclear accidents caused by the extreme natural disaster at Fukushima Daiichi nuclear power plant in Japan. In Korea, studies on level 3 PSA had ...
The importance of severe nuclear accidents and probabilistic safety assessment (PSA) were brought to international attention with the occurrence of severe nuclear accidents caused by the extreme natural disaster at Fukushima Daiichi nuclear power plant in Japan. In Korea, studies on level 3 PSA had made little progress until recently. The code systems of level 3 PSA, MACCS2 (MELCORE Accident Consequence Code System 2, US), COSYMA (COde SYstem from MAria, EU) and OSCAAR (Off-Site Consequence Analysis code for Atmospheric Releases in reactor accidents, JAPAN), were reviewed in this study, and the disadvantages and limitations of MACCS2 were also analyzed. Experts from Korea and abroad pointed out that the limitations of MACCS2 include the following: MACCS2 cannot simulate multi-unit accidents/release from spent fuel pools, and its atmospheric dispersion is based on a simple Gaussian plume model. Some of these limitations have been improved in the updated versions of MACCS2. The absence of a marine and aquatic dispersion model and the limited simulating range of food-chain and economic models are also important aspects that need to be improved. This paper is expected to be utilized as basic research material for developing a Korean code system for assessing off-site consequences of severe nuclear accidents.
The importance of severe nuclear accidents and probabilistic safety assessment (PSA) were brought to international attention with the occurrence of severe nuclear accidents caused by the extreme natural disaster at Fukushima Daiichi nuclear power plant in Japan. In Korea, studies on level 3 PSA had made little progress until recently. The code systems of level 3 PSA, MACCS2 (MELCORE Accident Consequence Code System 2, US), COSYMA (COde SYstem from MAria, EU) and OSCAAR (Off-Site Consequence Analysis code for Atmospheric Releases in reactor accidents, JAPAN), were reviewed in this study, and the disadvantages and limitations of MACCS2 were also analyzed. Experts from Korea and abroad pointed out that the limitations of MACCS2 include the following: MACCS2 cannot simulate multi-unit accidents/release from spent fuel pools, and its atmospheric dispersion is based on a simple Gaussian plume model. Some of these limitations have been improved in the updated versions of MACCS2. The absence of a marine and aquatic dispersion model and the limited simulating range of food-chain and economic models are also important aspects that need to be improved. This paper is expected to be utilized as basic research material for developing a Korean code system for assessing off-site consequences of severe nuclear accidents.
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문제 정의
국내·외 전문가들은 MACCS2에서 다수호기사고와 사용후핵연료 저장조로부터의 방출모사의 불가능, 가우시안 플륨모델을 기본으로 한 대기확산모델 등을 공통적으로 지적해왔다. MACCS2는 이러한 지적 사항들 중 일부를 반영하여 업데이트 버전을 통해 개선하여 왔으며, 이에 대한 내용도 본 논문에 기술하였다. Food chain 모델의 모사의 제한, 해양 및 수계 확산모델의 부재, 제한된 범위의 경제영향평가 등 또한 개선되어야 할 사항이다.
3 단계 PSA 기술은 환경·사회적 특성이 다른 각국이 개발한 기술을 도입하여 적용하기 보다는 우리나라 고유의 환경·사회적 특성을 반영하여 기술개발을 하는 것이 필수적이다. 본 논문에서는 3단계 확률론적 안전성 평가 코드에 대한 국외 현황에 대해 검토하고, 전 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 3단계 PSA 코드인 미국의 MACCS2의 단점 및 한국 적용의 한계점에 대해 분석하였다.
본 논문에서는 국외의 3단계 PSA 전산코드들에 대한 간략한 분석과 미국의 MACCS2에 대한 단점 분석을 수행하였다. 국내·외 전문가들은 MACCS2에서 다수호기사고와 사용후핵연료 저장조로부터의 방출모사의 불가능, 가우시안 플륨모델을 기본으로 한 대기확산모델 등을 공통적으로 지적해왔다.
가설 설정
각 퍼프 오염농도가 가우시안 분포를 이룬다는 통계적 가정을 채택하고, 지표면으로부터 반사되는 것으로 가정한다. 수평·수직방향으로의 분산형태를 결정짓는 대기확산계수는 퍼프가 이동한 거리와 대기 안정도에 대한 함수로 나타난다.
평지를 기본으로 한 가우시안 모델은 산지, 협곡, 강 등의 복잡한 지형으로 인한 대기확산 특성을 예측하기 어려우며, 대부분의 원전은 해안에 위치하고 있지만, 가우시안 모델로는 해륙풍의 영향을 전혀 고려할 수 없다. 또한, 직선궤도 가우시안 플륨에 의해 정의되는 제한된 구역에만 방사성 물질이 영향을 미치는 것으로 가정된다. MACCS2의 ATMOS 모듈에서 계산되는 방사성 핵종의 농도는 플륨의 중심선에서의 값이다.
중기단계에서는 비상단계 이후 1년 이내 기간에 대해서 평가되며, 지표에 침적된 물질으로부터의 외부피폭과 지표로부터 재부유된 물질의 흡입으로 인한 내부피폭만 고려된다. 선량완화조치로는 일시 이주가 고려되며, 일정 준위 이상의 피폭이 예상될 경우 주민들이 비오염 지역으로 중기단계 전체 기간 동안 이주한 것으로 가정한다. 장기단계는 중기단계 이후 전체 기간에 대해 평가되며, 중기단계에서 평가되는 피폭경로에 음식이나 물 섭취로 인한 내부피폭이 추가적으로 고려된다.
비상단계에서 고려되는 선량완화 조치는 소개, 대피, 일시 이주가 있다. 소개나 대피의 경우 선량에 무관하게 특정지역(비상계획구역(EPZ, Emergency Planning Zone))에서 실시되며, 일시 이주의 경우 일정 준위의 선량 기준을 초과하여 피폭될 경우에 대해 실시되는 것으로 가정한다.
제안 방법
RIMPUFF는 덴마크의 Risø National Laboratory에서 개발한 가우시안 퍼프궤적모델(Gaussian puff trajectory model)을 기본으로 하고 있다. 관심지역의 수많은 기상관측소로부터 얻은 데이터를 내삽하여 플륨에 영향을 미치는 기상정보를 얻는다. 또한, NL 프로그램에는 통계적 가우시안 플륨모델(statistical Gaussian plume model)인 ISOLA 또한 호환 가능하지만, 이 모델의 경우 긴 기간 동안 매우 적은 방출량에 대해서만 계산 가능하며, 조기 건강영향이나 선량완화조치에 대한 고려가 불가능하다.
대표적인 3단계 PSA 전산코드로는 MACCS2 (미국), COSYMA (유럽연합), OSCAAR (일본), CONDOR (영국), ARANO (핀란드), LENA (스웨덴) 등이 있다[4]. 국내 고유의 3단계 PSA 기술을 개발하기 위해서는 기존 국외 코드들에 대한 이해가 매우 중요하므로, 본 논문에서는 MACCS2, COSYMA, 그리고 OSCAAR의 특성에 대해 분석하여 다음과 같이 정리하였고, 각 코드들의 주요 특징들을 Table 1에 제시하였다.
10 (2015)이 현재까지 배포되어 온 WinMACCS의 주요 버전이며, 다음 버전이 현재 개발 중에 있다[19]. 기존 MACCS2가 가지고 있던 단점과 코드의 버전이 업데이트됨에 따라 개선된 사항들에 대해 분석 및 정리하였다. Table 2에서는 업데이트된 MACCS2 최신 버전들에서도 여전히 나타나고 있는 한계점들에 대해 요약하였다.
가우시안 모델의 특성상 선원으로부터 100 m 이내의 근거리나, 10~20 km 이상의 원거리에서 나타나는 분산현상을 모델링하는데 한계가 있다[7]. 기존 MACCS2가 공간에만 의존한 대기확산계수를 사용(distance-based model)하기 때문에 발생되는 문제로, WinMACCS ver 3.6에서는 이러한 단점을 개선하기 위해, 시간에 기반한 분산모델(time-based dispersion model)을 옵션으로 추가하여, 특정거리 이상에서는 시간을 기반으로 플륨의 분산이 평가될 수 있도록 하였다. 이는 가우시안 퍼프모델에 주로 적용되는 방법이다[21].
NL 프로그램에서는 사고 발생지점으로부터 근거리 지역에서 나타나는 만성 건강영향과 선량완화조치에 대한 평가가 수행된다. 마지막으로 FL 프로그램에서는 사고 발생 지점으로부터 원거리 지역에서 나타나는 만성 건강영향과 선량완화조치에 대한 평가가 수행된다.
대상 데이터
첫 번째 기상정보 입력시스템은 일본 기상청(JMA, Japan Meteorological Agency)에서 제공하는 수치예보자료(GPV, Grid Point Value) 중 표준의 일정한 기압(950, 850, 700hPa)에서 수치적으로 분석된 세 시간 단위의 바람자료를 이용하는 대규모 오일러리언 격자(synoptic scale Eulerian grid)모델이다. 두 번째 기상정보 입력시스템은 중규모의 격자(meso scale grid)모델로 일본 기상청에서 제공하는 수치예보자료 중 시간 단위의 지표바람(surface wind)과 대기안정도 데이터가 사용된다. 플륨상승은 플륨 방출고도에서의 기상조건과 Briggs (1975 [11])에 의해 제안된 플륨 상승모델을 통해 계산된다.
이론/모형
또한, NL 프로그램에는 통계적 가우시안 플륨모델(statistical Gaussian plume model)인 ISOLA 또한 호환 가능하지만, 이 모델의 경우 긴 기간 동안 매우 적은 방출량에 대해서만 계산 가능하며, 조기 건강영향이나 선량완화조치에 대한 고려가 불가능하다. FL 프로그램은 궤적퍼프 확산모델(trajectory puff dispersion model)인 MESOS (영국, Imperial College)가 사용된다. 장거리 확산 계산이 수행되며, 유럽 전체와 같은 넓은 지역의 기상자료가 계산에 사용된다.
4). MACCS2 계산 입력자료 및 계산 조건은 Kim et al. (2015) [22]와 동일하게 적용하였다.
MACCS2의 대기확산모델은 직선궤도 가우시안 플륨모델(straight-line Gaussian plume model)을 기본으로 하며, 플륨의 수직·수평방향 분산형태는 대기확산계수 값(Pasquill-Gifford dispersion parameter)에 의해 결정된다.
두 번째 기상정보 입력시스템은 중규모의 격자(meso scale grid)모델로 일본 기상청에서 제공하는 수치예보자료 중 시간 단위의 지표바람(surface wind)과 대기안정도 데이터가 사용된다. 플륨상승은 플륨 방출고도에서의 기상조건과 Briggs (1975 [11])에 의해 제안된 플륨 상승모델을 통해 계산된다. 혼합층 높이는 안정도의 함수에 의해 결정된다.
MACCS2의 대기확산모델은 직선궤도 가우시안 플륨모델(straight-line Gaussian plume model)을 기본으로 하며, 플륨의 수직·수평방향 분산형태는 대기확산계수 값(Pasquill-Gifford dispersion parameter)에 의해 결정된다. 플륨의 사행효과(Gifford (1975) [9])에 의한 수평방향으로의 퍼짐 현상과, 표면 거칠기(미국 기상학회(AMS, American Meteorological Society) (1977) [10])에 의한 수직방향의 난류발생으로 인한 퍼짐 현상은 각각의 보정인자를 적용하여 계산한다. 건물의 와류현상을 고려하여 초기 플륨 크기를 지정하며, Briggs (1975) [11]의 플륨상승모델이 적용된다.
MACCS2의 ATMOS 모듈에서 계산되는 방사성 핵종의 농도는 플륨의 중심선에서의 값이다. 플륨의 중심선을 벗어난 지역의 방사성 핵종의 농도를 계산하기 위해서 가우시안 횡풍(crosswind) 분포를 사용하여, 반경방향의 간격(r)과 플륨의 중심선이 위치한 격자로부터의 원주방향으로의 격자 간격 수(m)에 대해 유도한 비중심선 보정인자(off-centerline correction factor)를 적용한다. 가우시안 플륨의 크기 내 구역에 대해서만 각 격자 별로 플륨 중심선에서의 농도와 비중심선 보정인자에 의해 보정된 농도를 이용해 사고결말이 평가된다.
성능/효과
플륨의 상승과 방출지점 근처에 위치한 건물에 의한 연속적인 분산현상의 모사가 가능하며, 분산되는 물질의 건·습식 침적효과의 고려가 가능하다. 이 프로그램들에서는 대기확산 모델을 COSGAP, 또는 RIMPUFF와 호환 가능하다. COSGAP는 영국 국립방사선방호원의 MARC의 확산모델이 바탕이 된 것으로, 직선궤도 가우시안 플륨모델을 기본으로 하고 있다.
이는 가우시안 퍼프모델에 주로 적용되는 방법이다[21]. 하지만, 후쿠시마 사고에서 방출된 137Cs의 지표 침적 농도를 후쿠시마 원전 반경 240 km 이내 지역에 대해 공간과 시간에 기반한 분산모델을 각각 적용하여 평가하여 보았지만, 그 결과에는 크게 차이가 없는 것으로 평가되었다(Fig. 4). MACCS2 계산 입력자료 및 계산 조건은 Kim et al.
후속연구
MACCS2는 이러한 지적 사항들 중 일부를 반영하여 업데이트 버전을 통해 개선하여 왔으며, 이에 대한 내용도 본 논문에 기술하였다. Food chain 모델의 모사의 제한, 해양 및 수계 확산모델의 부재, 제한된 범위의 경제영향평가 등 또한 개선되어야 할 사항이다. 기존 국외 PSA전산코드들로부터의 교훈을 적절히 반영한다면, 국내 3단계 PSA 전산체계 개발과정에서의 시행착오를 줄임과 동시에, 완성도를 높일 수 있을 것이다.
기존 국외 PSA전산코드들로부터의 교훈을 적절히 반영한다면, 국내 3단계 PSA 전산체계 개발과정에서의 시행착오를 줄임과 동시에, 완성도를 높일 수 있을 것이다. 기술보고의 결과는 국내 3단계 PSA관련 기술 개발에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
현재 개발 중인 버전에서는 기존의 MACCS2의 대기확산모델을 HYSPLIT의 가우시안 퍼프모델과 라그란지안 입자추적 모델로 개선할 예정인 것으로 발표된 바 있다[19]. 따라서, 가우시안 모델을 사용함으로써 나타나는 MACCS2의 문제점들은 대기확산모델을 교체함으로써 개선될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중대사고 및 확률론적 안전성 평가의 중요성이 커진 사건은 무엇인가?
2011년 3월 인접 국가인 일본의 후쿠시마 원전에서 극한 자연재해로 인한 중대사고가 발생하면서, 국내에서 중대사고 및 확률론적 안전성 평가(PSA, Probabilistic Safety Assessment)에 대한 중요성이 재인식되었다. 특히, 국내에서는 원전의 소외결말을 평가하는 3단계 PSA에 대한 연구개발이 최근까지 거의 이루어지지 않았으며, 미국의 MELCORE Accident Consequence Code System 2 (MACCS2)를 국내 특정 원전들을 대상으로 하여 시범적으로 적용한 단계에 머무르고 있다.
MACCS2의 계산을 시간의 측면에서 설명하시오.
MACCS2의 계산은 기본적으로 시간과 공간의 측면으로 나누어진다. 시간의 관점에서 사고단계는 발생 시점부터 비상단계, 중간단계, 그리고 장기단계로 나누어지며, 이는 사고 발생 후 뒤따르는 사회적 반응 순서에 기반하여 구분(미국환경보호청(EPA, Environmental Protection Agency) (1992) [8]의 Protective Action에서의 정의에 따름) 된다. MACCS2의 모든 계산 결과는 극좌표 공간격자를 기본으로 저장된다.
3단계 PSA 수행을 위한 전산코드는 각 나라별로 무엇인가?
3단계 PSA 수행을 위한 전산코드는 미국의 MACCS2 이외에도, 유럽연합의 COSYMA, 일본의 OSCAAR, 영국의 CONDOR, 핀란드의 ARANO, 스웨덴의 LENA 등이 1970~1990년대에 각 국가의 특성을 반영하여 개발되었고, 현재까지 그 완성도를 높여오고 있다[4]. 3 단계 PSA 기술은 환경·사회적 특성이 다른 각국이 개발한 기술을 도입하여 적용하기 보다는 우리나라 고유의 환경·사회적 특성을 반영하여 기술개발을 하는 것이 필수적이다.
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