대기 누출 방사성물질 선원 위치 추적을 위한 3차원 궤적모델 개발 Development of Three-Dimensional Trajectory Model for Detecting Source Region of the Radioactive Materials Released into the Atmosphere원문보기
연구배경: 우리나라를 포함한 중국, 대만, 북한, 일본 등에서 원전, 재처리시설과 같은 원자력시설의 증가에 따라 주변국 핵활동 분석의 종합적 대책이 필요하다. 우리나라와 포괄적핵실험금지조약기구(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization, CTBTO)는 동북아시아 지역에서 핵종 탐지소를 운영 중으로, 핵종탐지 장비에서 특이 값 측정시 모니터링 자료의 분석과 더불어 배출원 탐색모델을 이용하여 핵종의 기원이 어디인지 추정하고 평가하는 것은 주변국 핵활동에 대한 감시 및 안전성 확보 측면에서 중요하다. 재료 및 방법: 주변국의 은밀한 핵활동 시 방사성핵종의 기원을 추정하기 위하여 3차원 전진/후진형 궤적모델을 개발하였다. 개발된 궤적모델은 궤적 미분방정식을 유한차분법을 이용한 방법으로 주어진 바람자료를 이용하여 방사성핵종의 방출지점으로부터 입자의 궤적을 순차적으로 찾아가는 전진형 모델과 시간 역산으로 방출기원을 추정하는 후진형 모델로 구성되었다. 결과 및 논의: 개발된 궤적모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고 당시 측정된 농도자료를 이용하였다. 검증결과 관측지점의 농도가 높게 측정된 지점과 방출기원에서 가까운 지역으로부터 시간 역산의 방출지점을 추정한 결과의 정확도가 높았다. 3차원 궤적모델은 방출시간, 방출높이, 방출간격 등의 변수에 의해 계산결과가 달라지는 불확도를 내포하고 있는데, 이러한 궤적모델의 불확도를 최소화하기 위해 한국원자력연구원에서 개발한 대기확산모델(long-range accident dose assessment system, LADAS)를 이용하여 fields of regards (FOR) 기법에 의해 오염물 방출영역을 추정한바 신뢰성 있는 결과를 얻었다. 결론: 본 연구를 통하여 개발된 배출원 탐색모델은 주변국의 은밀한 핵활동 시 핵종 탐지장비와 연계하여 방사성핵종의 방출지역과 기원을 파악하여 우리나라의 핵종탐지 능력을 향상하고 핵활동 및 방사선 안전 분야에서 주도적 역할을 할 수 있을 것으로 생각된다.
연구배경: 우리나라를 포함한 중국, 대만, 북한, 일본 등에서 원전, 재처리시설과 같은 원자력시설의 증가에 따라 주변국 핵활동 분석의 종합적 대책이 필요하다. 우리나라와 포괄적핵실험금지조약기구(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization, CTBTO)는 동북아시아 지역에서 핵종 탐지소를 운영 중으로, 핵종탐지 장비에서 특이 값 측정시 모니터링 자료의 분석과 더불어 배출원 탐색모델을 이용하여 핵종의 기원이 어디인지 추정하고 평가하는 것은 주변국 핵활동에 대한 감시 및 안전성 확보 측면에서 중요하다. 재료 및 방법: 주변국의 은밀한 핵활동 시 방사성핵종의 기원을 추정하기 위하여 3차원 전진/후진형 궤적모델을 개발하였다. 개발된 궤적모델은 궤적 미분방정식을 유한차분법을 이용한 방법으로 주어진 바람자료를 이용하여 방사성핵종의 방출지점으로부터 입자의 궤적을 순차적으로 찾아가는 전진형 모델과 시간 역산으로 방출기원을 추정하는 후진형 모델로 구성되었다. 결과 및 논의: 개발된 궤적모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고 당시 측정된 농도자료를 이용하였다. 검증결과 관측지점의 농도가 높게 측정된 지점과 방출기원에서 가까운 지역으로부터 시간 역산의 방출지점을 추정한 결과의 정확도가 높았다. 3차원 궤적모델은 방출시간, 방출높이, 방출간격 등의 변수에 의해 계산결과가 달라지는 불확도를 내포하고 있는데, 이러한 궤적모델의 불확도를 최소화하기 위해 한국원자력연구원에서 개발한 대기확산모델(long-range accident dose assessment system, LADAS)를 이용하여 fields of regards (FOR) 기법에 의해 오염물 방출영역을 추정한바 신뢰성 있는 결과를 얻었다. 결론: 본 연구를 통하여 개발된 배출원 탐색모델은 주변국의 은밀한 핵활동 시 핵종 탐지장비와 연계하여 방사성핵종의 방출지역과 기원을 파악하여 우리나라의 핵종탐지 능력을 향상하고 핵활동 및 방사선 안전 분야에서 주도적 역할을 할 수 있을 것으로 생각된다.
Background: It is necessary to consider the overall countermeasure for analysis of nuclear activities according to the increase of the nuclear facilities like nuclear power and reprocessing plants in the neighboring countries including China, Taiwan, North Korea, Japan and South Korea. South Korea a...
Background: It is necessary to consider the overall countermeasure for analysis of nuclear activities according to the increase of the nuclear facilities like nuclear power and reprocessing plants in the neighboring countries including China, Taiwan, North Korea, Japan and South Korea. South Korea and comprehensive nuclear-test-ban treaty organization (CTBTO) are now operating the monitoring instruments to detect radionuclides released into the air. It is important to estimate the origin of radionuclides measured using the detection technology as well as the monitoring analysis in aspects of investigation and security of the nuclear activities in neighboring countries. Materials and methods: A three-dimensional forward/backward trajectory model has been developed to estimate the origin of radionuclides for a covert nuclear activity. The developed trajectory model was composed of forward and backward modules to track the particle positions using finite difference method. Results and discussion: A three-dimensional trajectory model was validated using the measured data at Chernobyl accident. The calculated results showed a good agreement by using the high concentration measurements and the locations where was near a release point. The three-dimensional trajectory model had some uncertainty according to the release time, release height and time interval of the trajectory at each release points. An atmospheric dispersion model called long-range accident dose assessment system (LADAS), based on the fields of regards (FOR) technique, was applied to reduce the uncertainties of the trajectory model and to improve the detective technology for estimating the radioisotopes emission area. Conclusion: The detective technology developed in this study can evaluate in release area and origin for covert nuclear activities based on measured radioisotopes at monitoring stations, and it might play critical tool to improve the ability of the nuclear safety field.
Background: It is necessary to consider the overall countermeasure for analysis of nuclear activities according to the increase of the nuclear facilities like nuclear power and reprocessing plants in the neighboring countries including China, Taiwan, North Korea, Japan and South Korea. South Korea and comprehensive nuclear-test-ban treaty organization (CTBTO) are now operating the monitoring instruments to detect radionuclides released into the air. It is important to estimate the origin of radionuclides measured using the detection technology as well as the monitoring analysis in aspects of investigation and security of the nuclear activities in neighboring countries. Materials and methods: A three-dimensional forward/backward trajectory model has been developed to estimate the origin of radionuclides for a covert nuclear activity. The developed trajectory model was composed of forward and backward modules to track the particle positions using finite difference method. Results and discussion: A three-dimensional trajectory model was validated using the measured data at Chernobyl accident. The calculated results showed a good agreement by using the high concentration measurements and the locations where was near a release point. The three-dimensional trajectory model had some uncertainty according to the release time, release height and time interval of the trajectory at each release points. An atmospheric dispersion model called long-range accident dose assessment system (LADAS), based on the fields of regards (FOR) technique, was applied to reduce the uncertainties of the trajectory model and to improve the detective technology for estimating the radioisotopes emission area. Conclusion: The detective technology developed in this study can evaluate in release area and origin for covert nuclear activities based on measured radioisotopes at monitoring stations, and it might play critical tool to improve the ability of the nuclear safety field.
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문제 정의
본 연구에서는 핵종탐지 장비의 특이 값 검출 시 핵종의 방출위치를 역으로 추정할 수 있는 3차원 궤적모델을 개발하였고, 개발된 모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고 시 관측된 측정자료와 비교를 수행하였다. 개발된 궤적모델의 검증 결과 후진 궤적경로산정에 불확도가 내재해 있음이 파악되었다.
제안 방법
개발된 궤적모델의 정확도 향상을 위하여 대기확산모델을 이용하여 방출영역을 역으로 추정하는 FOR기법을 도입하여 불확도를 최소화하였다. 3차원 궤적모델은 방출시간, 방출높이, 방출간격 등의 변수에 의해 계산결과가 달라지는 불확도를 내포하고 있는데, 이러한 궤적모델의 불확도를 최소화하기 위해 CTBTO에서 이용하는 FOR기법[3]을 도입하여 배출원 탐색 시스템의 정확도를 향상시켰다. 한국원자력연구원에서 개발한 대기확산모델 LADAS를 이용하여 FOR 기법에 의해 오염물 방출영역을 추정한바 신뢰성 있는 결과를 얻었다[11].
주변국의 은밀한 핵활동 시 방사성핵종의 기원을 추정하기 위하여 3차원 전진/후진형 궤적모델을 개발하였다. 개발된 궤적모델은 궤적 미분방정식을 유한차분법을 이용한 방법으로 주어진 바람자료를 이용하여 방사성핵종의 방출지점으로부터 입자의 궤적을 순차적으로 찾아가는 전진형 모델과 시간 역산으로 방출기원을 추정하는 후진형 모델로 구성되었다. 개발된 궤적모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고 당시 측정된 농도자료를 이용하였다.
궤적모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고지점에서 12시간 간격으로 입자를 방출시켜 4개 궤적의 전진 이동궤적경로를 평가하였다. Fig.
개발된 궤적모델의 검증 결과 후진 궤적경로산정에 불확도가 내재해 있음이 파악되었다. 따라서 배출원 탐색 시스템의 정확도 향상을 위하여 궤적모델과 병행하여 대기확산모델을 이용하여 방출영역을 역으로 추정하는 FOR 기법[3]을 도입하여 배출원 탐색 시스템의 불확도를 최소화하였다.
본 연구에서는 1단계 개발된 궤적모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고시의 자료를 이용하였고, 단일 방출지점 만을 고려하여 모델을 관측 값과 비교·검증하였다.
본 연구에서는 FOR 기법을 이용하여 체르노빌 사고 당시 농도가 상대적으로 크게 측정된 Fribourg, Stockholm, Linz에서 입자를 방출하여 시간 역순의 오염물 확산도를 계산하였다. Fig.
주변국의 은밀한 핵활동 시 방사성핵종의 기원을 추정하기 위하여 3차원 전진/후진형 궤적모델을 개발하였다. 개발된 궤적모델은 궤적 미분방정식을 유한차분법을 이용한 방법으로 주어진 바람자료를 이용하여 방사성핵종의 방출지점으로부터 입자의 궤적을 순차적으로 찾아가는 전진형 모델과 시간 역산으로 방출기원을 추정하는 후진형 모델로 구성되었다.
3차원 궤적모델은 방출시간, 방출높이, 방출간격 등의 변수에 의해 계산결과가 달라지는 불확도를 내포하고 있는데, 이러한 궤적모델의 불확도를 최소화하기 위해 CTBTO에서 이용하는 FOR기법[3]을 도입하여 배출원 탐색 시스템의 정확도를 향상시켰다. 한국원자력연구원에서 개발한 대기확산모델 LADAS를 이용하여 FOR 기법에 의해 오염물 방출영역을 추정한바 신뢰성 있는 결과를 얻었다[11]. 따라서 궤적모델과 함께 FOR 기법에 의한 대기확산모델을 병행하면 오염물의 방출지점을 산정하는데 효과적인 것으로 평가되었다.
대상 데이터
개발된 궤적모델은 궤적 미분방정식을 유한차분법을 이용한 방법으로 주어진 바람자료를 이용하여 방사성핵종의 방출지점으로부터 입자의 궤적을 순차적으로 찾아가는 전진형 모델과 시간 역산으로 방출기원을 추정하는 후진형 모델로 구성되었다. 개발된 궤적모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고 당시 측정된 농도자료를 이용하였다. 검증결과 관측지점의 농도가 높게 측정된 지점과 방출기원에서 가까운 지역으로부터 시간 역산의 방출지점을 추정한 결과의 정확도가 높았다.
본 연구에서 개발된 전진형/후진형 궤적모델의 검증을 위하여 1986년 체르노빌 사고 당시 유럽에서 관측한 자료를 이용하였다[13]. 체르노빌 사고 모사를 위하여 1986년 4월 26일 0시부터 1986년 5월 11일 0시까지 유럽중기예보센터의 기상자료로부터 지표면 압력분포, 10m 유속분포, 2 m 온도분포 및 6개 level (1000 hPa, 925 hPa, 850 hPa, 700 hPa, 600 hPa, 500 hPa)에서의 수평 및 수직 유속성분 등을 추출하여 궤적모델의 기본입력자료로 이용하였다.
체르노빌 사고 당시 유럽의 여러 지점에서 방사성핵종의 농도가 관측되었지만, 상대적으로 큰 농도가 관측된 독일 Fribourg, 스웨덴 Stockholm 및 오스트리아 Linz 지점을 선정하여 개발된 궤적모델의 검증자료로 활용하였다. 3개 지점의 위치와 농도가 관측된 기간을 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서 개발된 전진형/후진형 궤적모델의 검증을 위하여 1986년 체르노빌 사고 당시 유럽에서 관측한 자료를 이용하였다[13]. 체르노빌 사고 모사를 위하여 1986년 4월 26일 0시부터 1986년 5월 11일 0시까지 유럽중기예보센터의 기상자료로부터 지표면 압력분포, 10m 유속분포, 2 m 온도분포 및 6개 level (1000 hPa, 925 hPa, 850 hPa, 700 hPa, 600 hPa, 500 hPa)에서의 수평 및 수직 유속성분 등을 추출하여 궤적모델의 기본입력자료로 이용하였다. 체르노빌 사고 시 방사성물질은 1986년 4월 26일 0시(UTC 기준)부터 5월 7일 0시까지 대기로 누출되었다.
이론/모형
윗 식으로부터 관측지점에서 평상시 보다 높은 농도 값이 관측된 경우 이 농도를 기준으로 배출지점의 방출량을 추정할 수 있다. 본연구에서는 개발된 궤적모델의 불확실성을 최소화하기 위하여 방출지역을 찾는 FOR 기법을 이용하였고, 방출지역의 방출량 산정하는 방법은 이용하지 않았다.
이는 후진 궤적의 방출지점에서 바람장과 더불어 입자의 방출시간이 후진 궤적모델의 민감한 변수임을 알 수 있고, 단일 후진 궤적모델에 의해서 선원의 위치를 추정하는 경우 불확실성을 내재하고 있음을 알 수 있다. 이러한 후진 궤적모델의 불확실성을 최소화하기 위해 한국원자력연구원에서 개발한 대기확산모델[11]과 연계한 FOR 기법을 이용하여 방사성 핵종의 방출 위치를 선정하는 방법을 통하여 정확도를 향상시켰다.
그 중 Bayesian 기법은 관측 농도를 기반으로 하여 오염물의 방출지역, 기간 및 방출량을 산정할 수 있는 최신의 기법 중 하나이나, 이러한 방출정보 추정을 위하여 복잡한 수치모델과 많은 컴퓨터의 계산시간을 요구한다. 핵종 모니터링 장비에서 특이 값 검출 시 1차적으로 신속한 정보 분석을 위하여 오염물의 이동경로를 역으로 추정하는 궤적모델과 FOR기법이 본 연구에서 이용되었다.
성능/효과
본 연구에서는 핵종탐지 장비의 특이 값 검출 시 핵종의 방출위치를 역으로 추정할 수 있는 3차원 궤적모델을 개발하였고, 개발된 모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고 시 관측된 측정자료와 비교를 수행하였다. 개발된 궤적모델의 검증 결과 후진 궤적경로산정에 불확도가 내재해 있음이 파악되었다. 따라서 배출원 탐색 시스템의 정확도 향상을 위하여 궤적모델과 병행하여 대기확산모델을 이용하여 방출영역을 역으로 추정하는 FOR 기법[3]을 도입하여 배출원 탐색 시스템의 불확도를 최소화하였다.
개발된 궤적모델의 정확도 향상을 위하여 대기확산모델을 이용하여 방출영역을 역으로 추정하는 FOR기법을 도입하여 불확도를 최소화하였다. 3차원 궤적모델은 방출시간, 방출높이, 방출간격 등의 변수에 의해 계산결과가 달라지는 불확도를 내포하고 있는데, 이러한 궤적모델의 불확도를 최소화하기 위해 CTBTO에서 이용하는 FOR기법[3]을 도입하여 배출원 탐색 시스템의 정확도를 향상시켰다.
개발된 궤적모델의 검증을 위하여 체르노빌 사고 당시 측정된 농도자료를 이용하였다. 검증결과 관측지점의 농도가 높게 측정된 지점과 방출기원에서 가까운 지역으로부터 시간 역산의 방출지점을 추정한 결과의 정확도가 높았다.
한국원자력연구원에서 개발한 대기확산모델 LADAS를 이용하여 FOR 기법에 의해 오염물 방출영역을 추정한바 신뢰성 있는 결과를 얻었다[11]. 따라서 궤적모델과 함께 FOR 기법에 의한 대기확산모델을 병행하면 오염물의 방출지점을 산정하는데 효과적인 것으로 평가되었다.
후속연구
향후에 1단계 개발된 궤적모델과 FOR 기법을 활용하여 다중소스를 고려한 경우 방출지역을 추정하는 연구가 진행될 예정이다. 또한 좀더 정확한 분석을 위하여 관측 농도를 기반으로 하여 오염물의 방출지역, 기간 및 방출량을 산정할 수 있는 Bayesian 기법을 활용하여 모델을 개선할 예정이다. 이를 통하여 최종적으로 주변국의 은밀한 핵활동 시 방사성핵종의 방출지역과 기원을 파악하여 우리나라의 핵종탐지 능력을 향상하고 핵활동 및 방사선 안전 분야에서 주도적 역할을 할 수 있을 것으로 생각된다.
5)의 경우 일부 궤적만이 체르노빌 방향을 향하고 있어 후진 궤적의 불확도가 많이 내포하고 있음을 알 수 있다. 이는 후진형 궤적 계산에서 입자의 방출시간이 바람장과 함께 가장 민감한 변수임을 알 수 있고, 분해능이 높은 바람장과 농도의 최고 관측 시간을 조금 더 정확히 측정하면 시간 역산 궤적을 산정하는데 정확도를 향상 시킬 수 있을 것으로 추정된다.
또한 좀더 정확한 분석을 위하여 관측 농도를 기반으로 하여 오염물의 방출지역, 기간 및 방출량을 산정할 수 있는 Bayesian 기법을 활용하여 모델을 개선할 예정이다. 이를 통하여 최종적으로 주변국의 은밀한 핵활동 시 방사성핵종의 방출지역과 기원을 파악하여 우리나라의 핵종탐지 능력을 향상하고 핵활동 및 방사선 안전 분야에서 주도적 역할을 할 수 있을 것으로 생각된다.
방출지역 추정을 위하여서는 다중 관측지점을 고려하여 방출지역을 찾는 것이 합리적이다. 향후에 1단계 개발된 궤적모델과 FOR 기법을 활용하여 다중소스를 고려한 경우 방출지역을 추정하는 연구가 진행될 예정이다. 또한 좀더 정확한 분석을 위하여 관측 농도를 기반으로 하여 오염물의 방출지역, 기간 및 방출량을 산정할 수 있는 Bayesian 기법을 활용하여 모델을 개선할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주변국의 은밀한 핵활동 분석을 위하여 배출정보를 분석하는 방법은 어떤 방법이 있는가?
주변국의 은밀한 핵활동 분석을 위하여 배출정보를 분석하는 방법으로 오염물의 이동경로를 추정하는 궤적 모델[2], 대기확산모델과 결합하여 Fields of Regards(FOR) 기법을 이용하여 방출영역을 추정하는 방법[3], 자료동화기법인 Bayesian 방법을 이용하여 방출지역, 기간 및 방출량을 추정하는 방법[4, 5] 등이 현재 폭 넓게 이용되고 있다. 그 중 Bayesian 기법은 관측 농도를 기반으로 하여 오염물의 방출지역, 기간 및 방출량을 산정할 수 있는 최신의 기법 중 하나이나, 이러한 방출정보 추정을 위하여 복잡한 수치모델과 많은 컴퓨터의 계산시간을 요구한다.
사소한 사고나 은밀한 핵활동에 의하여 대기로 누출된 방사성핵종은 어떻게 검출 가능한가?
중국, 일본, 대만, 북한 및 우리나라를 포함하여 주변국에는 많은 원자력시설이 운영 중에 있다. 이러한 시설에서 사소한 사고나 은밀한 핵활동에 의하여 대기로 누출된 방사성핵종은 한국원자력안전기술원과 포괄적핵실험금지조약기구(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization, CTBTO)에서 운영 중인 핵종탐지 장비에서 검출될 수 있다. 핵종탐지 장비에 특이 값이 검출될 시 이 핵종의 방출기원을 역 추정하여 주변국에서 수행된 은밀한 핵활동을 파악하는 것은 국가적 차원에서 매우 중요한 일이다.
선진 각국에서는 원자력 시설의 사고 시 국민과 환경을 보호하기 위하여 자국 실정에 적합한 대기 확산모델의 예시는?
체르노빌 원전 사고 이후 선진 각국에서는 원자력 시설의 사고 시 국민과 환경을 보호하기 위하여 자국 실정에 적합한 대기 확산모델을 개발하여 운영 중에 있다. 대표적인 모델로 미국 NARAC [6], 일본 WSPEEDI [7], 유럽공동체 RODOS [8] 시스템이 있으나, 대부분 모델은 원자력시설의 사고 후 대기 중으로 방출된 방사성물질의 농도를 산정하는 기술이다. CTBTO에서는 전 세계 핵종 모니터링 포스트를 운영하며, 모니터링 포스트에서 특이 값이 검출될 시 이들 핵종의 기원 추적을 위하여 WebGrape 모델을 구축하여 운영하고 있다[9].
참고문헌 (14)
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