[논문]방사성 토양폐기물 시료의 통계적 대표성에 관한 연구

조한석; 김태국; 이강무; 안섬진; 손종식

방사성 토양폐기물 시료의 통계적 대표성에 관한 연구
A Study on the Statistical Representativeness of Samples taken from Radioactive Soil 원문보기

조한석 (한국원자력연구소) , 김태국 (한국원자력연구소) , 이강무 (한국원자력연구소) , 안섬진 (한국원자력연구소) , 손종식 (한국원자력연구소)

한국원자력연구소에서는 토양폐기물의 규제해제를 통한 처리를 위하여 토양의 핵종 및 방사능분석에 대한 절차를 개발하고 있다. 토양의 규제해제를 위한 기반작업으로 대표성 있는 시료를 추출하기 위하여 균질화, 평균화를 거쳐 임의추출(random sample)하는 시료추출의 방법론을 결정하였다. 통계학적인 관점에서의 대표성은 시료추출의 방법론 뿐 만 아니라 시료의 크기를 얼마로 할 것인가에 대한 설계가 선행 되어야 한다. 본 연구에서는 토양폐기물에서 시료를 채취하는 절차에 따라 예비시료를 추출한 후 핵종 및 방사능평가 작업을 수행한 결과를 사용하여 신뢰구간과 오차 한계에 따른 시료의 개수를 산정하였다.

For the treatment of regulatory clearance of the soils, a procedure for the radionuclides and radioactivity concentration analysis is under development. A strategy for soil sampling including random sampling after homogenization and standardization was set up. Statistical representativeness is considered for not only sampling strategy but also sample size. In this study, designed sample size was designed with confidence interval and error bound of soil using the pilot samples which were taken following the sampling strategy.

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문제 정의

시료의 크기(sample size)는 데이터의 변동(data variation)을 조절하기 위하여 통계적 추정량의 신뢰구간(confidence interval)과 오차한계(error bound)를 설정해야 한다. 본 연구에서는 균질화, 평균화를 거쳐 추출된 토양폐기물 예비시료(pilot sample)의 방사능 결과값을 이용하여 신뢰구간과 오차한계에 따른 시료의 크기를 제시한다.
토양폐기물의 시료 추출 및 방사능평가에 있어서 시간과 비용의 문제가 제기되므로 시료의 대표성을 설명할 수 있으면서 최소한의 시료를 추출하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 대표성 있는 시료를 추출하기 위하여 작성된 작업절차에 따라 예비시료를 추출한 후 핵종 및 방사능농도의 측정값을 활용하여 통계적으로 보수적인 시료의 수를 산정하였다. 95%신뢰구간에서는 약 5개, 98% 신뢰구간에서는 약 8개, 99% 신뢰구간에서는 약 10개 정도의 150cc의 시료가 필요하다.

제안 방법

규제기관 및 각국의 토양시료 추출 방법에 따른 권고안을 기준으로 균질화 및 평균화 방법에 타당하도록 시료추출 방법을 설정하였다. 시료 추출과정은 임의의 토양폐기물 드럼을 선정하여 표면선량률을 측정한 후 Tray에 내용물을 쏟아 부어 골고루 펼친다.
이러한 과정이 끝난 토양의 tray에 미리 만들어 놓은 10x10grid를 얹어 토양을 전체적으로 100개의 구역으로 나눈다. 나누어진 각 구역에 일련번호를 1부터 100까지 부여한 후 최종 단계에서 균등분포(Uniform Distribution)을 이용하여 30개 정도의 난수(random number)를 생성한다. 임의로 정한 30개의 구역에서 시료를 채취하며, 통계적인 시료추출 방법론은 단순임의추출(SRS; Simple Random Sampling)을 사용하게 된다.
관심이 있는 모수(parameter)는 두 가지로, Co-60과 CsT37의 방사능농도 값이다. 두 가지 모수를 알기 위하여 예비시료의 통계량을 산출하였고, 변동계수(CV; Coefficient of Variance)를 사용하여 Co-60과 Cs-137 중 어느 것이 평균에 비하여 편차가 크게 나타나는지 알 수 있다. Co-60의 변동계수가 크므로 시료의 수를 산정할 때 편차가 더 큰 모수인 Co-60을 추정하는 것이 보수성을 확보할 수 있기 때문이다.
규제기관 및 각국의 토양시료 추출 방법에 따른 권고안을 기준으로 균질화 및 평균화 방법에 타당하도록 시료추출 방법을 설정하였다. 시료 추출과정은 임의의 토양폐기물 드럼을 선정하여 표면선량률을 측정한 후 Tray에 내용물을 쏟아 부어 골고루 펼친다. 이 단계에서 토양 이외의 이물질을 별도로 수집하고 전체적으로 균질하게 혼합하면서 표면선량률을 측정한다.
따라서 시료단위(sample unit) 를 150cc로 정하고, 편차를 크게 하여 보수성을 확보하기 위해 12개 예비시료를 단위폐기물(200리 터 드럼)에서 추출된 것이라고 할 때, 모집단 즉, 단위폐기물은 1,333개의 시료가 된다. 신뢰구간을 95%, 98%, 99%로 변화시키면서 예비표본의 표준편차를 1배, 2배, 3배로 최대허용오차를 변화시키면서 시료의 개수를 산정하였으며, 표 3은 이러한 결과를 요약한 표이다.

성능/효과

대부분의 경우 균질화와 평균화를 함께 고려하여 적용하여야 함을 권고하고 있다.¹⁾또한 자체처분에 있어서 단위 폐기물 수량에 대한 방사능 측정시 평균화를 인정할 수 있는 최대 폐기물의 양은 200kg 또는 200리터이며 채취된 시료의 양은 당해 시료가 대표하는 폐기물의 1/200 이상이어야 한다고 제시하면서 동시에 신청자는 채취된 시료가 대상 폐기물 단위 수량의 대표성을 확보하고 있음을 입증하여야 한다고 권고하고 있다.²⁾
발생당시의 핵종분석 결과도 r-선 방출핵종은 Co-60과 Cs-137만이 검출되었고, 방사능농도 값도 그리 높지 않음을 나타내고 있다.
한국원자력연구소에 현재 임시저장하고 있는 방사성폐기물 중 1988년 서울사무소의 폐쇄 과정에서 발생한 토양 및 콘크리트 드럼이 4,500드럼 정도가 보관되어 있다. 이 중 3,150여 드럼의 토양폐기물은 발생 당시부터 방사능 준위가 높지 않았으며, 토양내 존재하고 있는 주요 방사성 핵종이 Co-60과 Cs-137로 각 핵종의 반감기를 고려하였을 때 16년의 저장기간 동안 방사능 농도가 많이 낮아졌을 것으로 판단할 수 있다. 따라서 토양에 대한 방사능 분석을 수행하여 규제해제대상으로 분류하는 방안을 고려하고 있다.
따라서 예비시료에서의 편차가 가능한 한 크게 하도록 하는 것이 시료의 크기를 크게 할 수 있으며, 보수성도 확보할 수 있다. 토양폐기물 발생 당시 서울사무소 지역의 토양에 대하여 포장 작업 과정에서의 방사능농도는 드럼 내 편차보다는 드럼 간의 편차가 더 크게 진행되었다고 볼 수 있으므로, 예비시료를 복수개의 단위폐기물(드럼)별로 추출하여 시료의 크기를 계산하는 식에 적용하는 것이 보수성을 확보할 수 있는 방안으로 판단된다. 앞서 제시한 시료추출 방법에 근거하여 12개 단위폐기물(드럼)별로 예비시료를 추출한 후 원자력환경연구부(KORAS 인증기관)에 의뢰하여 방사능농도를 분석한 결과는 표.

후속연구

본 논문에 제시되는 오염토양의 시료추출방법과 시료의 크기에 대한 결과는 향후 원자력시설의 폐쇄 작업에서 대량으로 발생하는 토양폐기물의 처리과정에서 활용될 수 있을 것이다.
향후 다양한 원자력시설의 폐쇄 과정에서 방사성 오염토양의 발생은 필연적이므로 본 연구에서 고려한 시료의 수에 대한 산정방법은 타 연구에서 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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