SUMMARY
II. Necessities and Objectives of the Study
III.2 Contents and scopes of the study
4. 핵안전 기반 기술 개발 (지진해일 중심)
○ 국립재난안전연구원
2010년부터 2012까지 ‘지진해일대응시스템’을 구축하였으나 ‘지진해일대 응시스템’은 ‘가상 시나리오’ 기반으로 구축되어 한정된 지역에서 발생하는 지진해일에 대해서만 대응이 가능하며, 침수예상도가 구축된 43개소에 대해 서만 피해분석이 가능하다.
○ 기상청
장주기 파인 지진해일을 모의하기 위해 천수 방정식을 사용하고 수치모 의 시 발생하는 물리적인 분산 효과를 고려하는 유한 차분법 모델을 사용하 고 있다. 지진의 규모에 따른 단층의 크기를 모사하기 위해 Tatehata(1998) 의 식을 이용하고, 단층에 의한 해저면 변위의 연직 성분이 초기수면변위에 직접적으로 반영된다고 가정하며 Mansinha and Smylie(1971)의 해석해 통 해 계산된 해저면의 변위를 해수면변위 초기조건으로 결정하여 수치모의를 수행한다.
아울러 기상청에서는 지진해일 예측 데이터베이스 운영하고 있는데, 한 반도 주변을 중심으로 지진이 발생할 수 있는 지역에 대하여 시나리오를 구 성하고, 시나리오별 예측결과를 데이터베이스로 구축하여 지진 발생 시 이 를 현업에서 활용하고 있음. 예측 데이터베이스는 대만에서 일본 서해안에
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이르는 동아시아 해역에 대해서 0.2° 간격으로 구축되어 있으며, 지진이 주 로 발생하는 일본 서해안에 대해서는 보다 세밀한 시나리오(0.1° 간격)가 구 축되어 있다.
제 2 절 국외 연구동향
1. 해양방사능 거동 관련 모델 개발 동향
가. 기 개발된 해양방사능 모델1) 해양순환 모델과 직접 연결된 방사능 모델
1980년대 후반부터 개발된 대표적인 해양방사능 거동 모델은 표 2.2.1에 정리하였다.
표 2.2.1 순환모델과 결합된 대표적인 방사능 모델 목록 (Maderich, 2011)
○ Prandle (1984)
영국 IOS (Institute of Ocean Sciences), Bidston 연구소의 Prandle (1984)은 Sellafield 재처리 공장에서 유출되는 방사능 물질의 영국 주변 대 륙붕 해역에서의 확산과정을 수평 2차원(2HD) 모델로 모의하였다. 밀도 성 층, 부유퇴적물과의 상호작용이나 해저면으로의 침강 등은 고려되지 않고, 방사능 물질은 용존 형태로 만 존재하는 것으로 가정하였으며 수심 평균된 농도의 수평 분포를 체계적으로 제시하였다. 유한차분(FDM) 격자 상에서 방사능 이동 확산 방정식을 차분화한 후 시간 및 공간적으로 적분하는 오일
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러리안 기법(Eulerian method)이 사용되었다.
○ Onish와 Trent (1992)
3차원 유한차분 순환모델(TEMPEST)과 방사능 모델(FLESCOT)을 개 발하고 심해 핵폐기물로 인한 방사능 확산을 수직2차원 (2VD) 모델로 적용 하였다.
난류모델이 사용되며, 부유퇴적물에의 흡착을 고려하였다.○ Abril과 Leon (1993a,b)
해양방사능 존재 형태를 용존 상태 및 부유퇴적물 (
보다 작은 입 자로 구성)에 흡착된 형태, 그리고 해저 표층퇴적물 내의 2가지 분포 형태 (
보다 작은 입자와 큰 입자의 퇴적물) 등 총 4가지로 구분하고, 2개 의 분배계수를 갖는 해양방사능 모델링 개념을 제시하였다. 수층 내에서는 연직적으로 균일한 분포를 갖는 것으로 가정하였고, 해저퇴적물 층은 수층 과 이온 교환이 일어나는 혼합층과 그 아래의 심층으로 구성된다. Abril과 Leon (1993b)은 이 수평2차원 유한차분 모델 Irish Cs137와 Pu239+240 분포에 적용, 검증하였다.○ Harms (1997)
Kara Sea에 투기된 핵폐기물에 의한 오염 범위 및 정도를 파악하기 위 해 독일 함브르크 대학의 3차원 경압모델 HamSOM에 해빙모델을 결합한 순환 모델과 연결된 용존방사능 이동확산 모델을 사용하였다. 해저퇴적물에 존재하는 방사능 농도에 대해 (비현실적이나 용존형태 및 해저 표층퇴적물 내 방사능 농도가 평형상태에 있다는 가정 하에) 단위체적당 방사능 양(단 위:
Bq
)의 비를 나타내는 분배비율 (
⋅
, 여기서
는 수층 및 부유퇴적물에 존재하는 방사능 농도간의 관계를 결정해주는 분배계수,
는 부유퇴적물 농도)를 도입하여 간접 산정하였다.○ Margvelashvili 등 (1997)
3차원 순환 모델 POM (Mellor, 1983) 및 Onishi 등 (1989), Onishi와 Trent (1992)의 FLESQOT 방사능 모델을 기반으로 유한차분법 기반의 THREETOX 코드를 개발하였다. 순환모델 외에 부유퇴적물 모듈, 용존 및 부유퇴적물에 흡착된 입자성 상태의 방사능 이동 확산 모듈, 그리고 해저면 상층부 두께의 시간변화를 산정 및 방사능 농도 산정 모듈 등으로 구성된 다. 우크라이나 Kiev 저수지와 Dnieper-Bug 하구에서의 방사능 거동 산정 에 적용하였다. Koziy 등(1998)은 해빙모델 및 수질모델을 THREETOX 시 스템의 일부로 추가하고 해상도를 높여 Dnieper-Bug 하구와 Kara Sea 에 적용하였다.
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○ Aldridge 등 (1998)
영국 CEFAS (Centre for Environment, Fisheries and Aquaculture Science)의 Aldridge (1998)는 Irish Sea를 대상으로 한 유한차분법 기반의 수평2차원 방사능 거동 모델을 개발하였다. 순환모델 ADSM에는 조석과 바 람이 외력으로 포함되며, 밀도 계절변화 관측정보를 토대로 밀도류를 개략 계산한다. 파랑장은 제2세대 파랑 스펙트럼 모델 WINDWAVE 가 사용된 다. 방사능 모델 CSERAM은 용존상태 및 부유퇴적물에 흡착된 형태, 그리 고 여러 층의 해저퇴적물 내의 분포 형태 3가지로 구성되며 퇴적물은 2개 그룹 (최대 5개 그룹)으로 나눈다. Perianez 등 (1996)과 유사하나 약간 다 른 계수로 흡 탈착이 고려된다.
○ Perianez와 Reguera (1999)
보존성 방사능 물질을 대상으로 유한차분법에 근거한 수평2차원 모델을 구축하여 La Hague 재처리 시설로부터 유출되는
,
과
의 방 사능 이동 확산을 산정하였다. 이어 Perianez (1999)는 비보존성 방사능 물 질을 대상으로 균일한 밀도를 가정한 3차원 순환 및 부유퇴적물 모델들을 구축하고 용존 및 입자성 방사능 농도, 그리고 해저에 퇴적되는 방사능 농 도를 산정하는 모델을 보고하였다. 파랑과 흐름의 상호작용은 고려되지 않 았다. 이 논문은 Irish Sea를 대상으로 Perianez 등 (1996)의 전이계수를 도 입하여 적용한 결과에 초점을 맞추고 있다. 용존 상태에서 부유퇴적물 및 해저퇴적물로의 전이계수, , 과 그 반대 과정의 전이계수, , 는 다음과 같이 주어진다.
,
상기 식에서, 은 유속단위의 매개변수, ,
,
,
, 및 는 각각 부유퇴적물의 농도, 부유퇴적물 및 활성 해저퇴적물의 평균 반경, 총수심, 용존 방사능이 해저퇴적물내로 침입하는 평균깊이, 좌표상의 격자 간격, 그 리고 해저퇴적물 일부만이 수층과 접촉하는 점을 고려하는 보정치 등이다.○ Perianez와 Elliott (2002)
비보존성 방사능 물질 이동 확산에 라그랑지안 (Lagrangian) 입자추적기 법을 개발하고, 유한차분 모델과 비교하였다. 그림 2.2.1은 계산 흐름도이다.
핵심은 고려하는 입자에 대해 수평 및 연직방향 난류 확산은 난수(Random number)를 생성하여 산정하고, 방사능 감쇄, 용존, 부유 입자성 및 해저퇴적
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물 형태 상호간의 전이는 통계적 방법(Stochastic method)에 의거하여 각 계산시각에 각 입자에 대해 생성되는 난수와 입자 제거확률을 비교하여 산 정한다. 방사능 형태별로 입자를 구분하여 정의한다.
그림 2.2.1 무작위입자추적 모델의 계산 흐름도 (Perianez and Elliott, 2002).
○ Kobayashi 등 (2007)
POM 기반의 순환모델과 Kobayashi 등 (2006)이 개발한 입자추적모델 SEA-GEARN에 근거한 확장된 해양방사능 거동 모델을 제시하였다. 새로 이 확장된 입자추적기법 모델에서는 용존 상태, 대형입자(LPM, Large Particulate Matter) 부착 상태, 활성 해저퇴적물 (Active bottom sediment) 내 분포 형태가 고려된다. 난수(random number)
를 [0,1] 구간에서 균 일한 값을 갖는 것으로 설정하여 난류확산에 의한 시간동안의 공간적 이동을 아래와 같이 산정한다.
,
는 수평난류확산계수 ≡
,
는 수직난류확산계수아울러 LPM ( )과 관련된 매개상수 값들(구체적으로, 부유퇴적물 농도
, 침강속도)은 다음과 같다.
×
×
(수심
에서의 값)
×
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모델 적용으로 영국 Irish Sea의 Sellafield 재처리공장에서 유출되는 Cs137의 24년에 걸친 장기 확산 예측이 이루어졌다. 용존 및 LPM 부착 상 태의 방사능 물질 이동 확산 방정식의 해저면 조건은 다음과 같다.
상기 식에서
는 용존 방사능 농도,
는 연직난류확산계수,
, ,
,
,
,
,
및
은 활성 해저퇴적물로의 전이 계수, LPM 부착 상태에 서 용존상태로의 전이계수, 활성 퇴적물 내 방사능 농도, 평균혼합거리, 평 균 밀도, 활성 해저퇴적물의 비율, 공극율 및 활성 퇴적물가 상호작용을 하 는 수층의 두께, 그리고
,
,
는 LPM의 침강속도, 농도 및 LPM에 부착된 방사능 농도이고, “dep
"와 ”res
" 는 LPM 부착 방사능의 퇴적율과 재부유율을 나타낸다. 기타 감쇄 및 방사능 상태간의 전이과정은 Perianez와 Elliott(2002)의 통계적 방법이 사용된다.○ Olbert 등 (2010)
3차원 유한차분기법의 ECOMSED 모델 (Mellor, 2003)을 이용하여 Sellafield 재처리 공장으로부터 유출되는 Tc-99의 해양내 이동 확산을 검토 하였다. 개방경계에서는 조석조건이 정의되며 풍성류를 함께 고려함에 따라 방사경계조건을 사용하였다. 모델 영역 내 수온, 염분의 초기조건 및 경계상 의 값은 LEVITUS94 전지구자료 (Da Silva 등, 1994)와 독일 막스 플랑크 연구소의 MPIOM 전지구 해양모델 결과를 이용하여 정의되었다. 기상조건 은 ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)의 재분석 자료 ERA-40이 이용되었으며 Tc-99의 초기조건은 관측치를 활용하 여 정의되었다. 여러 관측 값들과의 비교를 통한 모델 검증이 이루어졌으며, 계절 및 연변화 등이 검토되었다.
○ Duffa 등 (2011)
프랑스 IFREMER 그룹의 Duffa 등(2011)은 Toulon 해역을 대상으로 방 사능 사고시 대응 지원을 위한 시스템 개발에 대해 중간보고를 하였다. 파 랑장은 Ardhuin 등(2007)에 의해 수정된 WAVEWARCH III 파랑 모듈과 SWAN 모델(Booij and Ris, 1999)을 동적연결하여 산정된다. 연안순환은 실 시간 정수압 3차원인 MARS-3D 코드 (Lazure and Dumas, 2008)가 사용되