[논문]다수기 원자력발전소 사고 시 소외 방사성물질 농도 계산 방법

이혜린; 이기만; 정우식

doi:10.14346/jkosos.2018.33.6.144

다수기 원자력발전소 사고 시 소외 방사성물질 농도 계산 방법
A Method to Calculate Off-site Radionuclide Concentration for Multi-unit Nuclear Power Plant Accident 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.33 no.6, 2018년, pp.144 - 156

이혜린 (세종대학교 원자력공학과) , 이기만 (세종대학교 원자력공학과) , 정우식 (세종대학교 원자력공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Level 3 Probabilistic Safety Assessment (PSA) is performed for the risk assessment that calculates radioactive material dispersion to the environment. This risk assessment is performed with a tool of MELCOR Accident Consequence Code System (MACCS2 or WinMACCS). For the off-site consequence analysis of multi-unit nuclear power plant (NPP) accident, the single location (Center Of Mass, COM) method has been usually adopted with the assumption that all the NPPs in the nuclear site are located at the same COM point. It was well known that this COM calculation can lead to underestimated or overestimated radionuclide concentration. In order to overcome this underestimation or overestimation of radionuclide concentrations in the COM method, Multiple Location (ML) method was developed in this study. The radionuclide concentrations for the individual NPPs are separately calculated, and they are summed at every location in the nuclear site by the post-processing of radionuclide concentrations that is based on two-dimensional Gaussian Plume equations. In order to demonstrate the efficiency of the ML method, radionuclide concentrations were calculated for the six-unit NPP site, radionuclide concentrations of the ML method were compared with those by COM method. This comparison was performed for conditions of constant weather, yearly weather in Korea, and four seasons, and the results were discussed. This new ML method (1) improves accuracy of radionuclide concentrations when multi-unit NPP accident occurs, (2) calculates realistic atmospheric dispersion of radionuclides under various weather conditions, and finally (3) supports off-site emergency plan optimization. It is recommended that this new method be applied to the risk assessment of multi-unit NPP accident. This new method drastically improves the accuracy of radionuclide concentrations at the locations adjacent to or very close to NPPs. This ML method has a great strength over the COM method when people live near nuclear site, since it provides accurate radionuclide concentrations or radiation doses.

주제어

표/그림 (36)

그림 Fig. 1. Radionuclide concentration calculation⁹⁾.
그림 Fig. 2. Radionuclide concentration calculation using ML method.
그림 Fig. 3. Radionuclide concentration calculation at (X, Y).
그림 Fig. 4. Calculation of radionuclide concentration.
그림 Fig. 5. Global and local coordinate systems.
그림 Fig. 6. Calculation procedure of radionuclide concentrations for multi-unit NPP accident.
그림 Fig. 7. Site layout
표 Table 1. Locations and power levels
표 Table 2. Constant weather data
그림 Fig. 8. Yearly weather windrose.
그림 Fig. 9. Seasonal windrose.
표 Table 3. Maximum values of Cs-137 concentration in whole cases
그림 Fig. 10. Air concentration of Cs-137 on constant weather (COM method)
그림 Fig. 11. Air concentration of Cs-137 on constant weather (ML method)
그림 Fig. 12. Ground concentration of Cs-137 on constant weather (COM method).
그림 Fig. 13. Ground concentration of Cs-137 on constant weather (ML method).
그림 Fig. 14. Air concentration of Cs-137 on yearly weather (COM method).
그림 Fig. 15. Air concentration of Cs-137 on yearly weather (ML method).
그림 Fig. 16. Ground concentration of Cs-137 on yearly weather (COM method).
그림 Fig. 17. Ground concentration of Cs-137 on yearly weather (ML method).
그림 Fig. 18. Air concentration of Cs-137 in spring (COM method).
그림 Fig. 19. Air concentration of Cs-137 in spring (ML method).
그림 Fig. 20. Ground concentration of Cs-137 in spring (COM method).
그림 Fig. 21. Ground concentration of Cs-137 in spring (ML method).
그림 Fig. 22. Air concentration of Cs-137 in summer (COM method)
그림 Fig. 23. Air concentration of Cs-137 in summer (ML method).
그림 Fig. 24. Ground concentration of Cs-137 in summer (COM method).
그림 Fig. 25. Ground concentration of Cs-137 in summer (ML method).
그림 Fig. 26. Air concentration of Cs-137 in autumn (COM method).
그림 Fig. 27. Air concentration of Cs-137 in autumn (ML method).
그림 Fig. 28. Ground concentration of Cs-137 in autumn (COM method).
그림 Fig. 29. Ground concentration of Cs-137 in autumn (ML method).
그림 Fig. 30. Air concentration of Cs-137 in winter (COM method).
그림 Fig. 31. Air concentration of Cs-137 in winter (ML method).
그림 Fig. 32. Ground concentration of Cs-137 in winter (COM method).
그림 Fig. 33. Ground concentration of Cs-137 in winter (ML method).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 1.2절의 기존 방법들의 단점을 극복하기 위해, 다수기 원전 사고 시 새로운 핵종농도 계산 방법으로 Multiple Location(ML) 방법을 개발하였다. ML 방법은 다수기의 임의의 좌표에서, 각 호기의 MACCS2계산에서 산출된 핵종농도 결과를 2차원의 Gaussian Plume 식을 이용하여 합산하는 방법을 이용한다(2절 참조).
본 연구에서는 (1) 다수기 원전 사고의 소외영향평가를 위한 새로운 ML 방법을 제안하고 (2) 다수기 원전에 적용하여 ML 방법의 장점과 COM 방법의 단점을 살펴보았다.

가설 설정

첫 번째, 다수기 소외영향평가를 위한 방법인 무게 중심(Center Of Mass, COM) 방법은 소외영향평가 전산 코드인 MELCOR Accident Consequence Code System (MACCS2)^8,9)을 이용해 단일 호기들의 선량 계산을 수행한 뒤, 모든 호기들이 부지의 무게중심에 위치한다고 가정하고 핵종농도와 피폭선량을 합산한다.

제안 방법

ML 방법은 다수기의 임의의 좌표에서, 각 호기의 MACCS2계산에서 산출된 핵종농도 결과를 2차원의 Gaussian Plume 식을 이용하여 합산하는 방법을 이용한다(2절 참조). 6개의 호기가 있는 부지에 연간 기상 자료를 적용하여 COM과 ML 두 방법에 의한 핵종농도 분포를 비교하였다. 그 결과 ML 방법이 COM 방법보다 현실적인 핵종농도를 산출한다는 것을 확인하였다.
COM 방법과 ML 방법을 각각 사용했을 때 Cs-137의 농도 분포가 계절 별로 보이는 차이를 알아보기 위해 계절 별 날씨 데이터를 각각 적용하였다. 봄의 COM 방법과 ML 방법을 사용했을 때의 Cs-137의 농도 분포는 Fig.
MACCS2로 각 호기에 대한 핵종 농도를 계산하고, 전역좌표계에서 모든 호기의 핵종농도를 합한 다음 주어진 장기에 대해 피폭선량을 계산한다.
1의 새롭게 제시된 다수기 소외영향평가 방법론¹¹⁾ 에서는 기준 호기(Base Unit)의 핵종농도에 추가 호기(Additional Unit)의 핵종농도를 더하는 방법을 사용한다. 기준 호기의 C₀ 위치에 대한 핵종의 농도는 (1) 추가 호기에서 C₀ 위치까지의 방향과 거리를 구하고, (2) 추가 호기에서 계산된 결과(C₀ 위치의 좌우를 지나는 두 개의 중심선을 따라 계산)에 선형근사법을 이용하여 핵종농도 C₁과 C₂를 계산하고, (3) C₁ 방향에 대한 풍향 출현 빈도 가중치와 사잇각 Q₁ 가중치를 핵종농도 C₁ 에 적용하여 C₀ 에 더해주고, (4) C₂ 방향에 대한 풍향 출현 빈도 가중치와 사잇각 Q₂ 가중치를 핵종농도 C₂에 적용하여 C₀에 더해준다. 이 방법의 장점은 계산 결과를 간단히 후처리하여 다수기 위험도를 계산할 수 있다는 점이다.
핵종의 농도 분포는 날씨에 의해 크게 영향을 받는다. 날씨 조건에 따라 핵종의 농도 분포가 어떻게 달라지는지 알아보기 위하여 (1) 일정한 날씨조건일 때, (2) 연간 날씨를 적용했을 때 COM 방법과 ML 방법의 결과 차이를 비교해보고 (3) ML 방법을 적용했을 때 계절에 따른 핵종농도 변화가 있는지 확인하였다. 일정한 날씨에 대한 정보는 아래 Table 2와 같다.
본 연구에서 Fig. 7과 Table 1의 발전소와 출력 정보를 바탕으로 (1) 일정한 날씨 조건 아래에서 COM 방법과 ML 방법을 사용했을 때의 Cs-137의 농도 분포를 비교하고 (2) 연간 날씨 조건 아래에서 두 가지 방법을 사용했을 때 Cs-137의 농도 분포가 어떻게 달라지는지, 그리고 (3) 계절 별로 어떠한 차이가 있는지 계산해 보았다. 일정한 날씨 조건에서 COM 방법과 ML 방법을 사용했을 때의 Cs-137의 농도 분포는 다음과 같다.

이론/모형

2절의 기존 방법들의 단점을 극복하기 위해, 다수기 원전 사고 시 새로운 핵종농도 계산 방법으로 Multiple Location(ML) 방법을 개발하였다. ML 방법은 다수기의 임의의 좌표에서, 각 호기의 MACCS2계산에서 산출된 핵종농도 결과를 2차원의 Gaussian Plume 식을 이용하여 합산하는 방법을 이용한다(2절 참조). 6개의 호기가 있는 부지에 연간 기상 자료를 적용하여 COM과 ML 두 방법에 의한 핵종농도 분포를 비교하였다.
2. Radionuclide concentration calculation using ML method.

성능/효과

COM 방법과 ML 방법을 사용했을 때의 Cs-137의 공기 중 그리고 지표면 농도 분포를 살펴보면 COM 방법을 사용했을 때는 Fig. 9에서 가을의 바람장미 양상과 같이 주로 북서 방향으로 농도 분포가 나타나며, 방사능운의 중심선을 기준으로 좁고 높은 농도 분포를 보이며 동쪽으로의 농도 분포는 거의 표현되지 않았다. ML 방법을 사용했을 때에는 각 호기의 위치를 기점으로 북서쪽을 향해 넓은 농도 분포가 나타나며 동쪽으로도 일부 낮은 농도 분포를 보인다.
ML 방법을 사용했을 때에는 각 호기의 위치를 기준으로 북서 방향으로 뻗어나가는 넓은 농도 분포를 볼 수 있다. Cs-137의 농도 분포를 무게중심을 기점으로 방사형의 형태로 단편적인 결과를 나타내는 COM 방법보다 각 호기의 위치를 반영하여 각 호기의 원점부터 모든 호기의 영향을 연속적으로 나타내는 ML 방법이 현실적이라고 할 수 있다.
S방향으로 Cs-137의 농도가 높게 나타나는 이유는 북풍의 영향을 받아 이동하는 방사능운이 Y축으로 나열된 각 발전소를 거치면서 방사능운이 중첩되기 때문이다. 결과적으로 COM 방법의 경우 방사능운이 한 지점에서 방출되므로 방사형의 형태를 띠고, ML 방법의 경우 호기가 넓게 분포하므로 핵종의 농도 분포 역시 넓게 나타나게 된다. 즉 ML 방법을 사용했을 때의 Cs-137 분포 양상이 현실적인 결과에 근접한다고 볼 수 있으며 다수기 주변 인구 분포에 대한 피폭정도 역시 COM 방법에 비해 보다 정확히 계산될 수 있다.
COM 방법의 경우 방사능운의 방출지점이 무게중심에 국한되어 있으므로 Cs-137의 농도가 무게중심 주변으로 높고 좁게 분포하는 반면 ML 방법의 경우 방사능운의 방출지점이 각 6호기의 위치이므로 전체 호기에 대해 핵종의 농도가 고르고 넓게 분포한다. 결과적으로 COM 방법의 사용은 무게중심 근방의 인구분포가 받는 피폭량을 과대평가 할 수 있으며, 무게중심에서 멀리 떨어진 인구분포에 대해서는 반대로 과소피폭의 오류를 범할 수 있다. 즉, COM 방법보다 ML 방법이 인구분포에 따른 피폭 정도를 훨씬 정확하게 계산할 수 있다.
대부분의 경우 같은 COM 위치에 원전들이 존재한다고 가정하고 다수기 원전 사고의 소외영향평가를 수행하여 왔다. 계산 결과, COM 방법으로 계산된 핵종 농도의 분포 모양은 단일 호기 사고의 결과와 유사함을 확인하였다. 이 경우 핵종의 농도 분포는 방사능운의 중심선 근방에서는 고농도의 핵종 분포가 이루어지고 중심선에서 멀어질수록 방사능운의 영향은 적어진다.
6개의 호기가 있는 부지에 연간 기상 자료를 적용하여 COM과 ML 두 방법에 의한 핵종농도 분포를 비교하였다. 그 결과 ML 방법이 COM 방법보다 현실적인 핵종농도를 산출한다는 것을 확인하였다. 본 논문의 구성은 아래와 같다.
다수기 소외영향평가에 COM 방법을 적용할 경우 불합리한 평가 결과가 발생할 수 있다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서 ML방법을 개발하였고 이 방법을 적용하면 COM 방법보다 정확하고 현실적인 소외영향평가가 가능하다.

후속연구

다수기 원전 사고의 소외영향평가에 ML 방법을 사용하면 (1) 다수의 방사능운 중첩에 의한 핵종 농도를 보다 정확하게 계산할 수 있고, (2) 원전 주변 인구의 정확한 피폭량을 계산할 수 있다. 본 논문에서 제안한 ML 방법을 국내외의 다수기 부지에 대한 소외영향평 가에 적용하는 것을 추천한다.
외부사건을 기반으로 하는 다수기 PSA 연구⁷⁾는 부지의 취약도를 정량화하고, 노심손상빈도에 외부사건의 호기 간 연관성을 반영하였다. 이와 같은 연구들은 기존의 단일호기 소외영향평가 방법에 기초하여 새로운 다수기 소외영향평가방법을 추가로 개발하고, 적용할 필요가 있다는 것을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확률론적안전성평가는 무엇인가?	확률론적안전성평가(Probabilistic Safety Assessment, PSA)는 원자력발전소(원전)의 위험도 수준을 모델링하고 정량화 하는 기술이다 1,2) . PSA는 노심손상빈도를 평가하는 1단계 PSA와, 격납건물에서 방사성 물질의 방출량과 방출빈도를 평가하는 2단계 PSA, 그리고 2단계 PSA결과를 활용하여 방사성 물질의 소외영향을 평가하는 3단계 PSA(소외영향평가)로 이루어진다.
	PSA는 단계별로 어떻게 이루어지는가?	확률론적안전성평가(Probabilistic Safety Assessment, PSA)는 원자력발전소(원전)의 위험도 수준을 모델링하고 정량화 하는 기술이다 1,2) . PSA는 노심손상빈도를 평가하는 1단계 PSA와, 격납건물에서 방사성 물질의 방출량과 방출빈도를 평가하는 2단계 PSA, 그리고 2단계 PSA결과를 활용하여 방사성 물질의 소외영향을 평가하는 3단계 PSA(소외영향평가)로 이루어진다. 소외영향평가는 원전 사고 발생 시 방사성 물질의 대기확산으로 인한 선량분포와 피폭을 계산한다.
	소외영향을 평가하는 3단계 PSA는 어떤 것을 계산하는가?	PSA는 노심손상빈도를 평가하는 1단계 PSA와, 격납건물에서 방사성 물질의 방출량과 방출빈도를 평가하는 2단계 PSA, 그리고 2단계 PSA결과를 활용하여 방사성 물질의 소외영향을 평가하는 3단계 PSA(소외영향평가)로 이루어진다. 소외영향평가는 원전 사고 발생 시 방사성 물질의 대기확산으로 인한 선량분포와 피폭을 계산한다. 원전 사고 시 방사성 물질의 방출로 인한 위험도를 계산하고, 완화 조치를 평가하고, 소외 비상계획을 최적화하기 위해 소외영향평가가 수행된다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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