KR102111113B1

KR102111113B1 - 방사능 재난 대응 훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법

Info

Publication number: KR102111113B1
Application number: KR1020180148292A
Authority: KR
Inventors: 이기수; 김원조
Original assignee: (주)아레스
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-05-14

Abstract

본 발명은 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방사성 물질의 종류와 양을 산출하고, 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정지점에 대한 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출하고, 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출함으로써, 방사능 물질의 확산 경로 및 피폭선량을 미리 예측 모델링할 수 있는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법에 관한 것이다.

Description

방사능 재난 대응 훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법{Modeling Method of radioactivity diffusion for radioactivity disaster correspondence training}

본 발명은 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방사성 물질의 종류와 양을 산출하고, 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정지점에 대한 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출하고, 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출함으로써, 방사능 물질의 확산 경로 및 피폭선량을 모델링할 수 있는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법에 관한 것이다.

원자력 시설에서 사고가 발생한 경우에는, 사고의 분석과 진전, 및 주변 환경으로의 영향을 예측 및 평가하고, 그 상황을 빠르게 파악할 필요가 있다.

또한, 사고의 영향이 광범위하게 걸쳐 있는 경우에는, 적확(的確)한 피난 계획을 즉시 입안하고, 이것을 실행하여, 주민의 안전과 안심을 확보하는 것이 불가결하다.

이러한 요구에 응하기 위해서, 지금까지 방사능 누출사고 유형에 따른 각종 대응 시스템이 개발되어 있다.

그간 일본 경제 산업성의 ERSS 시스템(Emergency Response Support System), 및 일본 문부 과학성의 SPEEDI 시스템(System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information)에 대하여, 그 개요를 2001년 7월 발행의 ERSS 시스템 책자(일본 경제 산업성 원자력 안전·보안원의 위탁에 의해, (재) 원자력 발전 기술 기구가 작성), 및 2001년 1월 발행의 SPEEDI 시스템 책자(일본 문부 과학성의 위탁에 의해, (재) 원자력 안전 기술 센터가 작성)에 게시되어 있다.

이러한 방사능을 예측하기 위하여 우리나라의 원자력안전기술원에서는 원전 부근 40 km 이하의 반경에 적용 가능한 라그랑지안 입자 확산 모델을 이용한 FADAS (Following Accident Dose Assessment System)와 장거리 예측을 위한 LADAS (Long-range Accident Dose Assessment System)를 개발하여 운영하고 있다. LADAS는 미국에서 개발된 HYSPLIT 모델을 변형하여 사용한다.

외국의 경우, 덴마크에서는 라그랑지안 중규모 모델과 오일러리안 장거리 수송 모델을 결합한 모델 DREAM (the Danish Rimpuff and Eulerian Accidental release Model)을 사용하고 있으며, 일본에서는 원전 주변의 좁은 영역 확산을 위한 SPEEDI (System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information)과 넓은 영역 확산을 고려하기 위한 WSPEEDI (Worldwide version of SPEEDI)를 개발하여 사용하고 있으며, 영국에서는 NAME(the Met Office Nuclear Accident ModEl)을, 미국에서는 HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) 모델을 개발하여 사용하고, 노르웨이에서는 FLEXTRA (FLEXible TRAjectories, 역궤적 모델)와 FLEXPART (라그랑지안 입자 확산 모델) 개발하여 사용하고 있다.

이러한 방사능을 예측하고 긴급시 대처하기 위한 기술이 도 1에 게시되어 있다.

도 1은 공개특허공보 2003-63068호(명칭 : 원자력 긴급시 대응 시스템 및 원자력 긴급시 대응 훈련시스템)에 개시된 기술로, 정보 표시부(91)와, 기상 관측 데이터 계산부(92)와, 사고 해석부(93)는 ERSS 시스템에 속하고, 피폭 예측부(94)는 SPEEDI 시스템에 속한다.

정보 표시부(91)에서는, 대상으로 하는 원자력 시설의 플랜트 정보가 취득된다.

이 취득된 플랜트 정보는, 화면상에서 표시되는 동시에, 사고 해석부(93)로 출력된다.

기상 관측 데이터 계산부(92)에서는, 과거에 축적된 기상 관측 데이터에 근거하여, 피폭 예측부(94)에 의해서 행해지는 피폭 계산에 필요한 함수 계산이 행해져, 그 결과가 피폭 예측부(94)에 출력된다.

사고 해석부(93)에서는, 정보 표시부(91)로부터 출력된 플랜트 정보에 근거하여, 공개 코드인 MAPP 코드를 이용한 해석이 행해지고, 사상 진전 및 소스 텀(source term)의 예측이 행해진다.

또한, 소스 텀(선원항)이란, 사고 사상에 의해서 방출되는 방사성 핵종에 의한 피폭 해석을 위해 필요한 전제 조건으로 되는 것으로서, 방출되는 방사성 핵종의 종류, 핵종 마다의 방출량, 각 핵종의 방출 개시 시간 및 방출 계속 시간으로 이루어진다.

피폭 예측부(94)에서는, 기상 관측 데이터 계산부(92)로부터 출력된 기상 관측 데이터에 기초하는 함수 데이터에 근거하여, 6시간 전까지의 3차원 풍속장 예측 계산, 농도 예측 계산, 및 선량 예측 계산이 행해진다.

그리고, 피폭 예측부(94)에 의해서 행해진 피폭량의 예측 결과에 근거하여, 적확한 피난 계획이 입안되어 있다.

현재 중국, 우리나라, 일본 등에 현재 87기의 원자로가 운영 중에 있으며, 향후 중국에서는 170여기 이상의 원자로가 추가 건설될 계획을 하고 있으며, 중국에 설치되었거나 추가 계획하고 있는 원자로는 주로 중국의 동쪽 해안가에 위치하고 있어 방사능 누출사고시, 우리나라에 직접 영향을 미칠 수 있기 때문에, 2011년 3월 일본 후쿠시마 원전사고 발생 이후 방사능 물질 누출시 이들의 확산 및 피폭량 산정의 중요성이 더욱 확대되고 있다.

따라서, 방사능 누출사고 발생시, 주민 소개계획 수립과 다양한 조건하에서의 재난 대응훈련 유도를 위한 방사능 물질의 확산 경로 및 피폭선량을 예측 모델링할 수 있는 방사능 확산 모델링 기술이 필요하게 되었다.

대한민국공개특허공보 제2003-63068호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 방사성 물질의 종류와 양을 산출하고, 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정지점에 대한 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출하고, 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출함으로써, 방사능 물질의 확산 경로 및 피폭선량을 예측 모델링하는데 있다.

본 발명의 제2 목적은 방재훈련 유도를 목적으로 모델링을 사용함에 있어 36방위(360도를 10도씩 분할하여) 방식이 아닌 16방위 방식을 적용함으로써, 통상 훈련에서 적용되는 풍향도 16방위로 설정하여 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법은,

방사선원항산출부(100)가 방사성 물질의 종류와 양을 산출하는 방사선원항산출단계(S100)와,

대기확산산출부(200)가 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정지점에 대한 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출하는 대기확산산출단계(S200)와,

피폭선량산출부(300)가 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출하는 피폭선량산출단계(S300)를 포함한다.

본 발명에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법은,

방사성 물질의 종류와 양을 산출하고, 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정지점에 대한 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출하고, 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출함으로써, 방사능 물질의 확산 경로 및 피폭선량을 미리 예측 모델링하게 되어 방사능으로 인한 피해를 예방하고 피난 계획을 정확하게 수립할 수 있으며, 피폭 환자 발생시 피폭선량을 예측할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.

또한, 방재훈련 유도를 목적으로 모델링을 사용함에 있어 기존의 36방위(360도를 10도씩 분할하여) 방식이 아닌 16방위 방식을 적용함으로써, 훈련에서의 풍향도 16방위로 설정하여 제공하여 훈련 시 간단한 방위를 이용하기 때문에 주민들의 이해도를 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법을 수행하는 방사능 확산 모델링 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법을 나타낸 흐름도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 발전소정보DB에 저장된 데이터 필드 예시도이며, 도 4는 기상모의구성요소DB에 저장된 데이터 필드 예시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 방사선원항산출단계(S100)를 나타낸 흐름도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 원전시설 노심의 핵종별 재고량 예시도이며, 도 7은 STCP 범주별 핵종그룹 예시도이며, 도 8은 핵종별 반감기를 정리한 예시도이며, 도 9는 원전 시설 정보 예시도이며, 도 10은 PWR 원자로 노심 누출분율을 나타낸 예시도이며, 도 11은 인자별 감소율을 나타낸 예시도이며, 도 12는 발전소 유형별 누설율을 나타낸 예시도이며, 도 13은 초기실재고량을 나타낸 예시도이며, 도 14는 저감인자 적용비율을 나타낸 예시도이며, 도 15는 누설분율을 나타낸 예시도이며, 도 16은 핵종별 선원항 계산표를 나타낸 예시도이며, 도 17은 냉각재의 방사성 물질 재고량을 나타낸 예시도이며, 도 18은 원항 유형별 누설율을 나타낸 예시도.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 대기확산산출단계(S200)를 나타낸 흐름도이며, 도 20은 리셉터선정단계의 구체적인 단계를 나타낸 흐름도.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 근거리 Plume모델 예시도이며, 도 22는 방위표기 및 리셉터 그리드 예시도이며, 도 23은 리셉터의 위치값을 나타낸 예시도이며, 도 24는 리셉터 위치값 결정 중 y값 산출 예시도이며, 도 25는 각 풍하방향으로부터 수평 이격거리 예시도이며, 도 26은 대기안정도 평가 예시도이며, 도 27은 Pasquill-Gifford의 확산 계수를 나타낸 예시도이며, 도 28은 대기안정도에 따른 확산계수를 나타낸 예시도이며, 도 29는 선원항 산출 자료를 나타낸 예시도.
도 30은 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 피폭선량산출단계(S300)를 나타낸 흐름도.
도 31는 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 누출율 산출 결과를 나타낸 예시도이며, 도 32은 풍하방향 거리별 대기 안정도를 나타낸 예시도이며, 도 33는 공기 중 농도를 나타낸 예시도이며, 도 34는 외부 피폭인자 환산인자를 나타낸 예시도이며, 도 35은 흡입 유효선량 환산인자를 나타낸 예시도이며, 도 36은 흡입 예탁 유효선량의 산출 예시도이며, 도 37은 갑상선 선량 환산인자를 나타낸 예시도이며, 도 38는 흡입에 따른 갑상선 선량의 산출 예시도이며, 도 39은 총 유효선량을 나타낸 예시도이며, 도 40은 갑상선 유효선량 화면 예시도이며, 도 41는 총 유효선량 화면 예시도.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다.

또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법은,

대기확산산출부(200)가 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정 지점별 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출하는 대기확산산출단계(S200)와,

피폭선량산출부(300)가 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출하는 피폭선량산출단계(S300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 방사선원항산출부(100)는 원자력발전소 정보를 저장하고 있는 발전소정보DB(400)로부터 방사능 누출 모의 상황에 대한 정보를 파악하여 방사성 물질의 종류와 양을 산출하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 방사선원항산출단계(S100)는,

방사선원항산출부(100)가 원자로에 이상 발생 상황을 부여하여 원자로를 모의로 셧다운시키는 원자로셧다운단계(S105);

방사선원항산출부(100)가 발전소정보DB로부터 사고 원자로 정보를 추출하여 업로드하기 위한 원자로정보업로드단계(S110);

방사선원항산출부(100)가 방사성 물질이 누출되는 절차에 따라 방사선 원항을 계산할 것인가를 판단하기 위한 노심시간종속여부판단단계(S115);

방사선원항산출부(100)가 상기 노심시간종속여부판단단계에서 시간 경과에 따른 방사성 물질 누출 절차를 적용한 경우에 노심 노출 시작시간을 처리하기 위한 노심노출시작시간처리단계(S120);

방사선원항산출부(100)가 원자로 노심에 포함되어 있는 핵종별 방사성 재고량을 노심이 회복될 때까지 설정된 시간단위로 계산하기 위한 핵종별노심재고량산출단계(S125);

방사선원항산출부(100)가 STCP 핵종 그룹별 누출분율을 적용하기 위한 그룹별누출분율적용단계(S130);

방사선원항산출부(100)가 노심 노출 상태가 지속됨에 따라 격납 용기 내 감소인자별 승수 값을 산출하여 인자별 감소 비율을 적용하기 위한 인자별감소율적용단계(S135);

방사선원항산출부(100)가 발전소 유형별 누설율을 적용하기 위한 누설비율적용단계(S140);

방사선원항산출부(100)가 산출식

을 이용하여 선원항을 산출하기 위한 선원항산출단계(S145);

방사선원항산출부(100)가 원항산출 명령창에 입력된 노심 복구시간이 도래하였는지를 판단하기 위한 노심회복여부판단단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 산출식에서, S_ij 는 사고조건 j에서 i 핵종의 누출 총량, I_i는 i 핵종의 재고량, ARF_ij 는 사고조건 j에서 i 핵종의 공기 중 누출 비율, RDF_ik는 저감조건 k에서 i 핵종의 저감비율, LF_j는 사고조건 j에서 i 핵종의 누설 분율을 의미한다.

또한, 상기 대기확산산출단계(S200)는,

대기확산산출부(200)가 EPZ지역을 3개의 반경으로 구분하며, 사고발생 원자로를 중심으로 거리별 8개 동심원을 결정하여 도북을 중심 좌우로 16 방위로 분할하며, 8개의 동심원과 16 방위선으로 구성된 그리드 교차점에 총 128개의 리셉터를 선정하기 위한 리셉터선정단계(S205);

대기확산산출부(200)가 총 128개의 리셉터마다 각각의 위치값을 결정하기 위한 리셉터위치값결정단계(S210);

대기확산산출부(200)가 주/야간 및 우천 여부, 구름 분포, 풍속에 대한 훈련 기상정보를 가지고 대기안정도를 평가하기 위한 대기안정도평가단계(S215);

대기확산산출부(200)가 대기 확산계수 실험식

,

와 Pasquill-Gifford의 확산 계수(Coefficient)를 이용하여 대기안정도에 따른 확산계수

(x),

(x)를 계산하기 위한 리셉터대기확산계수계산단계(S220);

대기확산산출부(200)가 선원항산출단계(S145)에서 산출된 선원항 산출 자료를 적용하기 위한 선원항산출자료적용단계(S225);

대기확산산출부(200)가 각각의 리셉터에 대한 핵종별 공기 중 농도를 산출하기 위한 리셉터공기중농도산출단계(S230);

대기확산산출부(200)가 모든 리셉터에 대한 공기 중 농도 산출이 완료되었는지를 판단하기 위한 전리셉터완료판단단계(S235);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 리셉터선정단계(S205)는,

대기확산산출부(200)가 EPZ지역을 3개의 반경으로 구분하기 위한 반경구분단계(S205A);

대기확산산출부(200)가 사고발생 원자로를 중심으로 거리별 8개 동심원을 결정하기 위한 동심원결정단계(S205B);

대기확산산출부(200)가 도북을 중심 좌우로 16 방위로 분할하기 위한 16방위분할단계(S205C);

대기확산산출부(200)가 8개의 동심원과 16 방위선으로 구성된 그리드 교차점에 총 128개의 리셉터를 선정하기 위한 128개리셉터선정단계(S205D);

대기확산산출부(200)가 선정된 리셉터에 식별자를 부여하기 위한 식별자부여단계(S205E);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피폭선량산출단계(S300)는,

피폭선량산출부(300)가 선원항 계산을 통해 산출된 핵종별 방사능 누출량을 누출율로 환산하기 위한 방사능누출율계산단계(S310);

피폭선량산출부(300)가 누출율에 풍하방향 거리와 대기 안정도에 따라 방출지점으로부터 특정 거리에 따른 희석인자를 적용하기 위한 희석인자적용단계(S320);

피폭선량산출부(300)가 농도 산출식

을 이용하여 풍하방향 공기 중 농도를 산출하기 위한 풍하방향공기중농도산출단계(S330);

피폭선량산출부(300)가 외부피폭 유효선량 산출식

을 이용하여 오염 공기 중에 노출에 따른 외부피폭 유효선량을 산출하기 위한 외부피폭유효선량산출단계(S340);

피폭선량산출부(300)가 흡입 예탁 유효선량 산출식

를 이용하여 오염 공기 중에 노출에 따른 흡입 예탁 유효선량을 산출하기 위한 흡입예탁선량산출단계(S350);

피폭선량산출부(300)가 갑상선 선량 산출식

를 이용하여 오염 공기 중에 방사성 옥소 흡입에 따른 등가 선량을 산출하기 위한 갑상선등가선량산출단계(S360);

피폭선량산출부(300)가 총 유효선량 산출식

를 이용하여 총 유효선량을 산출하기 위한 총유효선량산출단계(S370);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 농도 산출식에서,

는 방사성 핵종

의 공기 중 농도 [kBq/㎥],

는 방사성 핵종

의 누출율 [kBq/sec],

는 평균 풍속 [m/sec],

은 방출지점으로부터 특정거리에서의 희석인자[

]이며,

상기 외부피폭 유효선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 노출에 따른 외부피폭 유효선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사성 핵종 i에 대한 선량 환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥)]이며,

상기 흡입 예탁 유효선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 노출에 따른 흡입 예착 유효선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사성 핵종 i에 대한 선량 환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥),

는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 이며,

상기 갑상선 선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 방사성 옥소 흡입에 따른 등가선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사성 핵종 i에 대한 갑상선 선량환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥),

는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 이며,

상기 총 유효선량 산출식에서,

은 총 유효선량,

는 외부 피폭에 의한 유효선량 ,

는 흡입에 의한 예탁 유효선량 ,

는 섭취에 따른 예탁 유효선량인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 갑상선등가선량산출단계(S360)에 의해, 산출된 갑상선 유효선량을 화면에 표출시키며, 총유효선량산출단계(S370)에 의해 산출된 총 유효선량을 화면에 표출시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방사선원항산출단계(S100)를 통해 산출된 방사선 원항 정보를 화면에 표출시키며,

상기 대기확산산출단계(S200)를 통해 산출된 방사능 농도 정보를 특정 지점별로 화면에 표출시키며,

상기 피폭선량산출단계(S300)를 통해 산출된 피폭선량 정보를 화면에 표출시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법을 수행하는 방사능 확산 모델링 장치의 블록도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 방사능 확산 모델링 장치(1000)는 크게, 방사선원항산출부(100), 대기확산산출부(200), 피폭선량산출부(300), 발전소정보DB(400)를 포함하여 구성하게 된다.

구체적으로 설명하면, 상기 방사선원항산출부(100)에 의해, 방사성 물질의 종류와 양을 산출하게 되며, 상기 대기확산산출부(200)에 의해, 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정지점에 대한 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출하게 되며, 피폭선량산출부(300)에 의해, 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출하게 되는 것이다.

이때, 상기 방사능 확산 모델링 장치(1000)는 산출된 정보를 모니터링 화면에 출력하게 되는 것이다.

또한, 발전소정보DB(400)에는 원자력발전소 정보를 저장하고 있게 됨으로써, 상기 방사선원항산출부(100)가 발전소정보DB로부터 발전소 정보를 추출하여 방사능 누출 모의 상황에 대한 정보를 파악할 수 있도록 하는 것이다.

다음은 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법에 대하여 구체적으로 서술하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명인 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법은 먼저 방사성 물질의 종류와 양을 산출하는 방사선 원항(Source Term) 산출, 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정지점에 대한 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출, 그리고 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 계산하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출하는 과정을 거치게 된다.

구체적으로 방사선원항산출부(100)가 방사성 물질의 종류와 양을 산출하는 방사선원항산출단계(S100)와,

피폭선량산출부(300)가 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출하는 피폭선량산출단계(S300)를 거치게 되는 것이다.

이때, 상기 방사선원항산출부(100)는

원자력발전소 정보와 발전소 정보를 저장하고 있는 발전소정보DB(400)로부터 발전소 정보를 추출하여 방사능 누출 상황 모의하는 것을 특징으로 한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 발전소정보DB(400)에는 원자력발전소의 원자로 정보를 저장하여 관리하게 된다.

데이터 필드로는 구성요소, 구분, 단위, 내용 등이 있으며, 구성요소에는 발전소명, 사고 호기, 원자로 위치, 고도, 인구분포, 원자로 형태, 격납건물 형태, 리액터 파워, 원자로 출력비, 연소량, 냉각수 양, 격납건물 용적, 설계 압력, 설계 누설율, 노심 어셈블리 수 등을 저장하게 된다.

구분에는 필수, 자동과 같은 구분 정보를 저장하게 되는 것이다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 방사능 확산 모델링 장치(1000)는,

기상 모의 구성요소 정보를 저장하고 있는 기상모의구성요소DB를 더 포함하여 구성할 수 있다.

데이터 필드로는 구성요소, 구분, 단위, 내용 등이 있으며, 구성요소에는 일시, 일출시간, 일몰시간, 월출 시간, 월몰 시간, 온도, 풍향, 풍속, 강우/강설, 낮은 구름 비율, 습도 등을 저장하게 된다.

한편, 본 발명의 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법을 제공하기 위하여 하기와 같은 가상 사항을 제공할 수 있다.

예를 들어, 발전소 유형으로서, 국내 원전은 모두 가압수형 원자로(PWR : Pressurized Water Reactor)이므로 비등수형 원자로(BWR : Boiling Water Reactor)는 미고려하며, 확산모델로서, 사고원전 중심 반경 30km 이내의 긴급보호조치계획구역(UPZ) 주민을 대상으로 실시하는 방재훈련용에 활용하므로 가우시안 퍼프(Gaussian puff) 장거리 확산모델은 배제하고 가우시안 플룸(Gaussian plume)단거리 확산 모델을 적용하며, 방사선원항(Source Term) 산출을 위해 핵종별 노심 재고량에 대한 평가와 냉각시스템에 핵종별 농도는 사전에 저장된 발전소정보DB로부터 활용한다.

확산 평가로서, 방사성 물질의 대기 확산은 16개 방위 128개의 Receptor에 대한 대기 중 오염도를 평가하여 상황도 상에 표출하게 되며, 선량평가로서, 방사선 유효선량 계산 시, 음식물 섭취에 따른 예탁 유효선량은 방사능의 장기간 지속적 누출에 의한 결과로 나타나므로 단기간 주민훈련용에는 불필요하므로 제외하게 된다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 방사선원항산출단계(S100)를 나타낸 흐름도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 상기 방사선원항산출단계(S100)는,

방사선원항산출부가 원자로에 이상 발생 상황을 부여하여 원자로를 모의로 셧다운시키는 원자로셧다운단계(S105);

방사선원항산출부가 발전소정보DB로부터 사고 원자로 정보를 추출하여 업로드하기 위한 원자로정보업로드단계(S110);

방사선원항산출부가 방사성 물질이 누출되는 절차에 따라 방사선 원항을 계산할 것인가를 판단하기 위한 노심시간종속여부판단단계(S115);

방사선원항산출부가 상기 노심시간종속여부판단단계에서 시간 경과에 따른 방사성 물질 누출 절차를 적용한 경우에 노심 노출 시작시간을 처리하기 위한 노심노출시작시간처리단계(S120);

방사선원항산출부가 원자로 노심에 포함되어 있는 핵종별 방사성 재고량을 노심이 회복될 때까지 설정된 시간단위로 계산하기 위한 핵종별노심재고량산출단계(S125);

방사선원항산출부가 STCP 핵종 그룹별 누출분율을 적용하기 위한 그룹별누출분율적용단계(S130);

방사선원항산출부가 노심 노출 상태가 지속됨에 따라 격납 용기 내 감소인자별 승수 값을 산출하여 인자별 감소 비율을 적용하기 위한 인자별감소율적용단계(S135);

방사선원항산출부가 발전소 유형별 누설율을 적용하기 위한 누설비율적용단계(S140);

방사선원항산출부가 산출식

을 이용하여 선원항을 산출하기 위한 선원항산출단계(S145);

방사선원항산출부가 원항산출 명령창에 입력된 노심 복구시간이 도래하였는지를 판단하기 위한 노심회복여부판단단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 설명하면, 원자로셧다운단계(S105)는 방사선원항산출부가 원자로에 이상 발생 상황을 부여하여 원자로를 모의로 셧다운시키는 단계이다.

즉, 통제부에서는 소외 전원상실 및 충전펌프 용량 초과, 노심변형 등 내, 외부 요인으로 인하여 원자로에 이상이 발생한 상황을 부여하게 되며, 이를 방사선원항산출부에서 획득하여 원자로를 모의로 셧다운시키게 되는 것이다.

통제부에서 UI 화면에서 원자로 정지(Shutdown) 시간을 지정하여 입력할 수 있으며, 통제부에서 UI 화면의 사고유형을 확인할 수도 있다.

이후, 상기 원자로정보업로드단계(S110)는 방사선원항산출부가 발전소정보DB로부터 사고 원자로 정보를 추출하여 업로드하게 되는 것이다.

즉, 통제부에서 부여한 UI 입력창을 통하여 입력 요소를 확인하고 발전소정보DB에서 사고 원자로 정보를 업로드하게 되는 것이다.

이후, 상기 노심시간종속여부판단단계(S115)는 방사선원항산출부가 방사성 물질이 누출되는 절차에 따라 방사선 원항을 계산할 것인가를 판단하는 단계이다.

즉, 통제부에서는 부여한 UI 입력창을 통하여 입력 요소를 확인하게 되며, 예를 들어, 냉각수 유출로 노심이 노출되고 시간이 경과함에 따라 방사성 물질이 누출되는 절차를 따라 방사선원항을 계산할 것인가 여부를 판단하게 된다.

여기서, 예스(Yes)를 선택하게 되면 시간 경과에 따른 방사성 물질 누출 절차를 적용하여 하기와 같이 선원항을 산출하게 될 것이며, 노(No)를 선택하게 되면 노심 손상 정도와 누출 경로 및 감소인자 조건을 확인하여 선원항을 산출하게 될 것이다.

이후, 상기 노심노출시작시간처리단계(S120)는 방사선원항산출부가 상기 노심시간종속여부판단단계에서 시간 경과에 따른 방사성 물질 누출 절차를 적용한 경우에 노심 노출 시작시간을 처리하게 된다.

즉, 통제부에서 UI 입력창을 통해 사고 원자로의 노심(CORE) 노출 시작시간을 확인하게 되며, 노심 노출 시작시간 도래시 하기의 단계를 처리하게 된다.

이후, 상기 핵종별노심재고량산출단계(S125)는 방사선원항산출부가 원자로 노심에 포함되어 있는 핵종별 방사성 재고량을 노심이 회복될 때까지 설정된 시간단위로 계산하는 단계이다.

구체적으로, 원자로 노심(Core)에 포함되어 있는 핵종별 방사성 재고량을 노심이 회복될 때까지 15분 단위로 계산하게 되며, 도 6에서 연소도 30,000MWD/MTU의 원자로에서 노심 핵종별 재고량이 열출력 메가와트(MWt)당 노심재고량(Ci)으로 표시되었으나 국내 원전의 발전출력은 전기출력 메가와트(MWe)로 표시되어 NUREG-1228 Table 2.2 를 참조하여 노심재고량(Ci)을 적용하게 된다.

NUREG-1228 Table 2.2의 전기출력 메가와트(MWe) 당 노심재고량과 도 7의 STCP(Source Term Code Package) 범주별로 Grouping한 다음 핵종별 반감기를 정리하면 도 8과 같다.(30,000MWD/MTU Burnup)

또한, 원전의 연소도(Burnup) 규모에 따라 반감기 1년 이상 핵종에 대하여 아래 실재고량 계산식을 적용하여 실재고량을 계산(반감기 1년 미만인 핵종은 제외)하게 된다.

(실재고량 계산식)

상기

은 도 9의 원전 시설 정보를 참조하게 된다.

이후, 그룹별누출분율적용단계(S130)는 방사선원항산출부가 STCP 핵종 그룹별 누출분율을 적용하기 위한 단계이다.

예를 들어, 도 10의 원자로 노심 누출분율을 참고하여 2시간 동안 누출된 경우에 첫째, Noble gas의 시간단위별(15') 누출비율(

)은 아래와 같다.

K(1) : 0'~ 15' AF(1) = 0.05 * (0.25h/0.5h) = 0.025

K(2) : 15'~ 30' AF(2) = 0.05 * (0.25h/0.5h) = 0.025

K(3) : 30'~ 45' AF(3) = 0.95 * (0.25h/0.5h) = 0.1827

K(4) ~ (7) : 45'~ 105' : 각각 0.1827

K(8) : 105'~108' AF(8) = 0.05 * (0.25h/1.3h) = 0.0365

108'~120' AF(8) = 0 * 0.2h/2.0h = 0.0000

둘째, Halogens의 시간단위별 누출비율(

)은 아래와 같다.

K(1) : 0'~ 15' AF(1) = 0.05 * (0.25h/0.5h) = 0.025

K(2) : 15'~ 30' AF(2) = 0.05 * (0.25h/0.5h) = 0.025

K(3) : 30'~ 45' AF(3)~(7) = 0.35 * (0.25h/1.3h) = 0.0673

K(4) ~ (7) : 45'~ 105' AF(4~7) = 각각 0.0673 (= 0.35 * 0.25h/1.3h)

K(8) : 105'~120' AF(8) 0.00962 + 0.035 = 0.03846

105'~108' AF(8-1) = 0.05h * 0.35 * (0.05h/1.3h) = 0.01346

108'~120' AF(8-2) = 0.25 * (0.2h/2.0h) = 0.025

이후, 상기 인자별감소율적용단계(S135)는 방사선원항산출부가 노심 노출 상태가 지속됨에 따라 격납 용기 내 감소인자별 승수 값을 산출하여 인자별 감소 비율을 적용하기 위한 단계이다.

예를 들어, 노심 노출상태가 지속됨에 따라 격납용기 내 감소인자별 승수 값을 산출하게 되는데, 납용기의 살수계통(Sprays) 작동 여부 : On / Off, 격납용기의 여과기(Filter) 작동 여부 : Yes / No, 누출물질 격납용기 내 지체시간(Hold-up)을 적용하게 된다.

이때, 인자별 감소율은 도 11을 적용하게 되는 것이다.

이후, 상기 누설비율적용단계(S140)는 방사선원항산출부가 발전소 유형별 누설율을 적용하기 위한 단계이다.

누설율 유형으로는 Leakage : %/h, ㎥/h, Bypass : %/h, gal/min, SG tube Rupture : gal/min 등이 있으며, 발전소 유형별 누설율은 도 12에 도시하였다.

따라서, 방사선원상산출부가 발전소 유형별 누설율을 추출하게 되는 것이다.

이후, 선원항산출단계(S145)는 방사선원항산출부가 산출식

을 이용하여 선원항을 산출하는 단계이다.

선원항(Source Term)을 산출하는 예시를 Halogens으로 들어보면, STCP 범주별 핵종별 초기 재고량 산출의 경우, 30,000MWD/MTU Burnup에서 전기출력 메가와트 단위 재고(Ci/MWe)는 1,000 MWe급 발전소에서 Noble gas에 해당하는 핵종의 초기재고량의 총합은 하기와 같다. (도 13 참조)

= 7.15E+5 Ci/MWe * 1,000 MWe = 7.15E+08 Ci

누출비율 적용(Cladding Failure)은 첫째, Haloens의 시간단위별(15') 누출분율(K1) : 0.05 * 0.25h/0.5h = 0.025 이며, 둘째, Haloens의 초기재고량 (

) : (7.15E+08) x 0.025 = 1.79E+07 Ci 이다.

저감인자(

) 적용은 도 14를 참조하여 설명하면, 필터는 예스일 때, 저감율은 0.01, 스프레이는 온 상태인 경우(t=0.25), 저감율은

= 0.05이다.

그리고, Hold-up 시간(t=0.25), 저감율은

= 0.74이며, 총저감율은 0.01 x 0.05 x 0.74 = 3.69E-04 가 되는 것이다.

누출비율(

) 적용은 도 15를 참조하여 설명하면, 국내 원자력발전소의 발전유형(PWR-Dry) 적용하며, 설계 누설율은 일(24h) 0.1% (또는 누설분율 4E-05/h) : 4E-05 x 0.25= 1E-05이 되는 것이다.

그리고, Halogens의 선원항(Source Term)은

= [7.15E+08] x 0.025 x [3.69E-04] x [1E-05] = 0.066Ci 이 된다.

상기와 같은 계산 과정을 거치게 되면 도 16과 같은 핵종별 선원항 계산표가 생성되게 되는 것이다.

이후, 최종적으로 노심회복여부판단단계(S150)는 방사선원항산출부가 원항산출 명령창에 입력된 노심 복구시간이 도래하였는지를 판단하게 된다.

예를 들어, 원항산출 명령창에 입력된 노심 복구시간이 도래하였는지 여부를 판단하게 되는데, YES일 경우에는 노심손상 상태가 회복되어 방사성 물질 누출에 대한 원항계산 종료하게 되지만, NO일 경우에는 다시 핵종별 재고량을 계산하여 일정 시간동안의 원항을 산출하게 되는 것이다.

이때, 하기의 재고량 조정식에 의해 핵종별 반감기에 의한 재고량 조정 후 다시 반복할 수 있다.

(재고량 조정식)

상기

는 t 시간 경과 후 재고량,

는 초기 재고량, T 는 반감기를 의미한다.

그리고, 시간 경과에 따른 노심의 핵종별 재고량 계산은 도 13을 참조하여 계산할 수 있다.

한편, 노심시간종속이 아닐 경우에, 노심손상상태처리단계(S116)를 거치게 되는데, 피복관 파손율을 50%, 75%, 90%로 구분하여 제공하게 된다.

이후, 냉각재 재고량을 산출(S117)하고, 냉각재 누설량을 계산(S118)하게 되고, 계산된 냉각재 누설량을 그룹별 누출분율에 적용하게 되는 것이다.

냉각재의 방사성 물질 재고량은 도 17에 도시하였다.

이때, 원항 산출 예로서, 원항조건이 피복관 50%가 파손되고 누출경로가 격납용기 Bypass인 경우 Halogens의 누출량은 도 18에서 누설율이 100 gal/min일 경우, 100 gal/min = 3785.4 x 100 = 3.7854E+05 (g/min)이 된다.

또한, 도 17에서 Halogens의 핵종별 냉각재 농도(Ci/g)를 적용하면,

ⅰ) I-131 : 2.00E-09 x 3.7854E+05 = 0.00075168(Ci/min)

ⅱ) I-132 : 6.00E-08 x 3.7854E+05 = 0.0225504(Ci/min)

ⅲ) I-133 : 2.60E-08 x 3.7854E+05 = 0.00977184(Ci/min)

ⅳ) I-134 : 1.00E-07 x 3.7854E+05 = 0.037584(Ci/min)

ⅴ) I-135 : 5.50E-08 x 3.7854E+05 = 0.0206712(Ci/min)

또한, 15분간 Halogens의 누출량(Ci)은

= [ 0.00075168 + 0.0225504 + 0.00977184 + 0.037584 + 0.0206712 ] * 15 = 0.091329 X 15 = 1.37 (Ci) 가 된다.

따라서, 종 Halogens의 누출율(kBq/sec)은,

ⅰ) 1 Ci = 3.7E+07 kBq

ⅱ) 15분은 초로 환산하면 : 15 * 60 = 900 초

ⅲ) Halogens의 초당 누출율 : 1.37Ci * 3.7E+07kBq / 900sec = 5.63E+04 (kBq/sec) 이 되는 것이다.

도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 대기확산산출단계(S200)를 나타낸 흐름도이다.

도 19에 도시한 바와 같이, 대기확산산출단계(S200)는,

대기확산산출부(200)가 대기 확산계수 실험식

,

(x),

(x)를 계산하기 위한 리셉터대기확산계수계산단계(S220);

구체적으로 설명하면, 리셉터선정단계(S205)는 대기확산산출부(200)가 EPZ지역을 3개의 반경으로 구분하며, 사고발생 원자로를 중심으로 거리별 8개 동심원을 결정하여 도북을 중심 좌우로 16 방위로 분할하며, 8개의 동심원과 16 방위선으로 구성된 그리드 교차점에 총 128개의 리셉터를 선정하기 위한 단계이다.

상기 단계를 도 20을 참조하여 설명하면, 상기 리셉터선정단계(S205)는,

상기 반경구분단계(S205A)는 근거리 Plume모델을 적용하므로 도 21과 같이, EPZ지역(반경 30km)을 3개의 반경(5km, 10km, 30km)으로 구분할 수가 있다.

이후, 상기 동심원결정단계(S205B)는 대기확산산출부(200)가 사고발생 원자로를 중심으로 거리별 8개 동심원을 결정하게 되며, 16방위분할단계(S205C)에서는 도북을 중심 좌우로 16 방위로 분할하게 된다.

예를 들어, 도북을 중심 좌우로 11.25°씩 16방위(각 방위별 22.5°)로 분할하게 되는 것이다.

이후, 상기 128개리셉터선정단계(S205D)는 대기확산산출부(200)가 8개의 동심원과 16 방위선으로 구성된 그리드 교차점에 총 128개의 리셉터를 선정하게 되며, 상기 식별자부여단계(S205E)에서는 대기확산산출부(200)가 선정된 리셉터에 식별자를 부여하게 되는 것이다.

예를 들어, 첫째, 16방위는 IAEA방식에 의한 영문 식별자(A~R)를 부여하게 되며, 둘째, 원 중심으로부터 동심원의 이격거리에 따라 Close-in + 5Km 단위로 10Km 또는 30Km까지 예를 들어 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, ..., 30 까지 구분하게 되는 것이다.

이때, 상기 첫째와 둘째를 조합하여 Close-in +5Km에서는 A0.5 ~ A5.0, ... R0.5 ~ R5.0 까지 식별자를 부여하게 되며, 이를 도 22에 도시하였다.

이후, 상기 리셉터위치값결정단계(S210)는 대기확산산출부(200)가 총 128개의 리셉터마다 각각의 위치값을 결정하기 위한 단계이다.

예를 들어, 상기에서 선정된 128개 리셉터(Receptor)는 각각의 위치 값(x, y, z)을 가지게 되며, Receptor의 위치 값(x, y, z)은 도 23과 같이, 사고 원자로를 중심으로 풍하 방향으로 이격된 거리(x)와 x 지점으로부터 Receptor까지 수직방향 이격거리(y), 그리고 Receptor의 높이(z) 값을 가지게 된다.

x 값은 도 21의 표를 적용하게 되며, y 값은 풍하방향과의 방향 차(±)에 따라 x 값에 곱하여 산출하게 되며, 도 24와 같이, 산출되는 것이다.

그리고, 각 풍하방향으로부터 수평 이격거리(y 값)은 도 25와 같다.

z 값은 receptor의 신장이므로 지상 근처 값으로 '0'으로 설정되게 되며, h 값은 Stack height로 '0'으로 설정된다.

예를 들어, Close-in +10km Footprint에서 풍향이 정남풍일 때 receptor B2.0 위치 값은 하기와 같다.

x 값(A2.0)은 Close-in+10km Footprint에서 원 중심으로부터 2.0km 거리, B2.0의 y 값은 바람방향으로 A2.0에서 +22.5° 이므로 도 25를 참조하면 x값의 적용인수는 22.5°에서 0.195이므로 y = 2 x 0.195 x 2.0 = 0.780 (km)가 되어 780 m가 되며, z 값은 receptor의 신장이므로 0이 되는 것이다.

따라서, B2의 위치 값(m로 환산)은 x: 2000, y: 780, z: 0 이 되는 것이다.

이후, 상기 대기안정도평가단계(S215)는 대기확산산출부(200)가 주/야간 및 우천 여부, 구름 분포, 풍속에 대한 훈련 기상정보를 가지고 대기안정도를 평가하기 위한 단계이다.

즉, 풍속은 기상 정보를 참조하여 지상 10m에서 측정된 초속(m/sec) 단위로 표현하게 되며, 주/야간은 일출 후 1시간, 일몰 전 1시간을 기준으로 주/야 구분를 하게 되며, 복사강도는 강일 경우, 맑은 날씨에 태양고도가 60°이상(12시-14시), 중일 경우, 맑은 날씨에 태양고도가 35° ~ 60° 미만(10시-12시, 14시-16시), 약일 경우, 맑은 날씨에 태양고도가 35° 미만(10시 이전, 16시 이후)일 때이다.

흐림은 구름비율 50% 이상일 때, 먹구름은 낮은 구름비율이 80% 이상일 때이다.

원전 전문기관에서는 온도 감율방법에 따라 바람과 고도 100m에서 지상의 온도차를 가지고 대기안정도를 7단계 매우 불안정(A)부터 매우안정(G)으로 구분하게 되며, 이를 도 26에 도시하였다.

이후, 리셉터대기확산계수계산단계(S220)는 대기확산산출부(200)가 대기 확산계수 실험식

,

(x),

(x)를 계산하는 단계이다.

즉, 대기 확산계수 실험식

,

과 도 27과 같은 Pasquill-Gifford의 확산 계수(Coefficient)를 이용하여 확산계수

(x),

(x)를 계산하게 되는데, 예를 들어, 기상조건 맑은 낮 12시에 풍속 2m/sec에서 receptor(B2.0)의 표준 수평 및 수직 확산계수 산출하면,

x 값은 2,000이므로 이격거리 x > 1,000이며, 주간(복사강도 '강')에서 풍속 '≤2'을 적용 시 대기안정도는 'A'가 된다.

표준 수평 확산계수(

)는,

(2000) = [0.000246(

)² + 0.00576(

) +0.066]

= [0.000246(25)² + 0.00576(25) +0.066] * 2000

= [0.15375 + 0.144 + 0.066] * 957.5472 = 348.308 이 된다.

표준 수직 확산계수(

)는,

(2000) =

= [0.00024 *

] + (-9.6)

= [0.00024 * 8172535.4] - 9.6 = 1951.8 이 된다.

따라서, 대기 확산계수 실험식과 Pasquill-Gifford의 확산 계수(Coefficient)를 이용하여 용하여 대기안정도에 따른 확산계수

(x),

(x)를 계산하면 도 28과 같이 정리할 수 있다.

이후, 선원항산출자료적용단계(S225)는 대기확산선원항산출단계(S145)에서 산출된 선원항 산출 자료를 적용하여 선원항 산출 자료를 획득하게 되는 것이다.

이후, 상기 리셉터공기중농도산출단계(S230)는 대기확산산출부(200)가 도 29와 같이 각각의 리셉터에 대한 핵종별 공기 중 농도를 산출하게 된다.

즉, 풍하방향을 중심으로 Receptor의 각각의 위치 값(x, y, z)을 계산하게 되며, 하기의 Receptor의 공기 중 방사능 농도 계산식을 통해 공기 중 방사능 농도를 계산하게 된다.

(공기 중 방사능 농도 계산식)

여기서,

는 공기중 방사성 농도(Bq/㎥ 또는 Ci/㎥),

는 방사성물질 누설율 (Bq/sec 또는 Ci/sec),

는 수평 확산계수(m),

는 수직 확산계수,

는 평균 풍속(m/sec)을 의미한다.

이후, 풍하방향 최대 확산 거리 판단을 하게 되는데, 예를 들어, 풍속 2m/sec일 때 15분 동안 최대 확산거리는 15분 X 60sec/분 X 2m/sec = 1,800m 이며, 최대 1.8km까지 확산 가능하므로 동심원 A2.0까지 적용하게 된다.

이후, 각각의 Receptor에 대한 핵종별 공기 중 농도(Ci/㎥)를 계산하게 된다.

예를 들어, 풍하방향이 A구역일 때 A0.5, A1.0, A1.5, A2.0에서 확산계수

와

산출해보면,

x 값은 500, 1,000, 1,500, 2,000, y 값은 , z 값은 '0', h= 0이다.

100<x<1,000, 대기안정도 A에서 확산계수

와

는 하기와 같다.

Receptor A0.5(500, 0, 0)에서 확산계수

와

는,

(500) = [0.000246(

)² + 0.00576(

) +0.066]

= [0.000246(25)² + 0.00576(25) +0.066] *

= [0.15375 + 0.144 + 0.066] * 273.8 = 99.6

(500) =

= [0.00066 *

] + 9.27

= [0.00066 * 173261] + 9.27 =123.6

Receptor A1.0(1,000, 0, 0)에서 확산계수

와

는,

(1000) = [0.000246(

)² + 0.00576(

) +0.066]

= [0.000246(25)² + 0.00576(25) +0.066] *

= [0.15375 + 0.144 + 0.066] * 512.0 = 186.25

(1000) =

= [0.00066 *

] + 9.27

= [0.00066 * 665273] + 9.27 =448.35

또한, X값에 따른 16방위별 Y값은 하기와 같다.

풍하방향 Receptor와 1방위차(A 기준시 B 및 R지역)는 ±22.5°이므로

y =

= 2 * 500 * 0.195 = 195

풍하방향 Receptor와 2방위차(A 기준시 C 및 Q지역)는 ±45°이므로

y =

= 2 * 500 * 0.383 = 383

또한, 풍하방향 Receptor의 공기 중 농도(Ci/㎥) 값, 예를 들어 Noble gas는 하기와 같다.

즉, 공기 중 농도 계산식인

을 이용하게 된다.

예를 들어, Receptor A0.5와 A1.0에 대한 초기 15분간 Noble gas의 누설량(

)은 1.31E+02 이다.

A1.0(1000, 0, 0)의 공기 중 농도(Ci/㎥)는,

χ(500, 0, 0) = (1.31E+02)/(π

) exp[-0.5 * [y²/2

^²)]

= (1.31E+02)/(π*99.6*123.6*2) exp(0)

= 1.31E+02 / 77350 * 1 = 1.69E-03

⇒ 1.69E-03 * 3.7E+07 / 900 = 6.96E+01 (kBq/㎥)

A1.0(1000, 0, 0)의 공기 중 농도(Ci/㎥)는,

χ(1000, 0, 0) = (1.31E+02)/(π

) exp{-0.5 *[y²/2

^²)]

= (1.31E+02)/

exp(0)]

= 2.5E-04 * 1 = 2.5E-04

⇒ 2.5E-04 * 3.7E+07 / 900 = 1.03E+01 (kBq/㎥)

그리고, Receptor B0.5(또는 R0.5)와 B1.0(또는 R1.0)에 대한 공기 중 농도(Ci/㎥)는,

1방위각차(±22.5°)에 대한 거리차(y값) B0.5는 195m B1.0은 383m

B0.5 및 R0.5에서의 Noble gas의 공기중 농도는,

χ(500, 195, 0) = (1.31E+02)/(π

) exp[-0.5 * [y²/2

^²)]

= (1.31E+02)/(π*99.6*123.6*2) exp

= (1.31E+02 / 77350) * 0.384 = 6.5E-04

⇒ 6.5E-04 * 3.7E+07 / 900 = 2.67E+01 (kBq/㎥)

B1.0 및 R1.0(1000, 0, 0)에서의 Noble gas의 공기중 농도는,

χ(1000, 383, 0) = (1.31E+02)/(π

) exp{-0.5 *[y²/2

^²)]

= (1.31E+02)/

exp(-0.5*[383²/ (2*448.35²)]

= 2.5E-04 * 0.833 = 2.07E-04

⇒ 2.07E-04 * 3.7E+07 / 900 = 8.53E+00 (kBq/㎥)

상기와 같은 계산 절차에 따라, C(Q), D(P),....J까지 0.5km ~ 2km까지 산출하게 되는 것이다.

이후, 전리셉터완료판단단계(S235)는 대기확산산출부(200)가 모든 리셉터에 대한 공기 중 농도 산출이 완료되었는지를 판단하게 되는데, 3가지 거리별 Footprint(Close-in+5km, Close-in+10km, Close-in+30km)에 대한 Receptor의 공기중 농도 산출하게 되며, 전 Receptor에 대한 계산과정 종료 여부를 확인하게 된다.

Yes일 경우, 대기 확산 평가 종료하게 되며, No일 경우, 남은 Receptor의 공기중 농도 계속 산출하게 되는 것이다.

도 30은 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법의 피폭선량산출단계(S300)를 나타낸 흐름도이다.

상기 피폭선량산출단계(S300)는,

피폭선량산출부(300)가 농도 산출식

피폭선량산출부(300)가 외부피폭 유효선량 산출식

피폭선량산출부(300)가 흡입 예탁 유효선량 산출식

피폭선량산출부(300)가 갑상선 선량 산출식

피폭선량산출부(300)가 총 유효선량 산출식

를 이용하여 총 유효선량을 산출하기 위한 총유효선량산출단계(S370);를 포함하는 것을 특징으로 하는 한다.

이때, 상기 농도 산출식에서,

는 방사성 핵종

의 공기 중 농도 [kBq/㎥],

는 방사성 핵종

의 누출율 [kBq/sec],

는 평균 풍속 [m/sec],

은 방출지점으로부터 특정거리에서의 희석인자[

]이며,

상기 외부피폭 유효선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 노출에 따른 외부피폭 유효선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사성 핵종 i에 대한 선량 환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥)]이며,

상기 흡입 예탁 유효선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 노출에 따른 흡입 예착 유효선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사성 핵종 i에 대한 선량 환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥),

는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 이며,

상기 갑상선 선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 방사성 옥소 흡입에 따른 등가선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 이며,

상기 총 유효선량 산출식에서,

은 총 유효선량,

는 외부 피폭에 의한 유효선량 ,

는 흡입에 의한 예탁 유효선량 ,

는 섭취에 따른 예탁 유효선량(장기간 오염 시 적용하므로 제외) 인 것을 특징으로 한다.

구체적으로 설명하자면, 상기 방사능누출율계산단계(S310)는 피폭선량산출부(300)가 선원항 계산을 통해 산출된 핵종별 방사능 누출량을 누출율로 환산하기 위한 단계이다.

방사능 누출율(

)은 선원항(Source Term) 계산을 통해 산출된 핵종별 방사능 누출량(Ci)을 누출율(kBq/㎥)로 환산하여 표시하게 된다.

예를 들어, 큐리(Ci)를 베크렐(Bq)로 환산하여 키로 베크렐(kBq)로 나타내면, 1Ci = 3.7E+10 Bq ⇒ 3.7E+07 kBq 이 되며, 0.25시(hour)를 초(sec) 환산하면 : 0.25(h) * 3600 = 900(sec) 이 되며, 선원항 값을 산출된 누출율 계산식은 하기와 같다.

=

* 3.7E+07 / 900

상기와 같은 누출율 산출 결과 예시는 도 31에 도시하였다.

이후, 희석인자적용단계(S320)는 피폭선량산출부(300)가 누출율에 풍하방향 거리와 대기 안정도에 따라 방출지점으로부터 특정 거리에 따른 희석인자를 적용하기 위한 단계이다.

즉, 희석인자는 방출지점으로부터 특정 거리에 따른 희석인자(m^-2)로 누출율에 풍하 방향 거리와 대기 안정도에 따라 도 32에 도시한 값을 적용하게 되는 것이다.

이후, 풍하방향공기중농도산출단계(S330)는 피폭선량산출부(300)가 농도 산출식

을 이용하여 풍하방향 공기 중 농도를 산출하기 위한 단계이다.

이때, 상기 농도 산출식에서,

는 방사성 핵종

의 공기 중 농도 [kBq/㎥],

는 방사성 핵종

의 누출율 [kBq/sec],

는 평균 풍속 [m/sec],

은 방출지점으로부터 특정거리에서의 희석인자[

]를 의미한다.

예를 들어, Receptor A0에서의 핵종별 공기중 농도(C_a,i)는 도 31의 방사성 핵종별 누출율을 참조하게 되며, 희석인자(

)는 도 32에서 풍하 방향거리 1.0km에서 대기안정도 A 일때의 값은 3.3E-05[

]가 되며, 평균 풍속(

) 은 3m/sec를 적용할 경우에

식을 적용하면 공기 중 농도(C_a,i)는 도 33와 같이 산출되게 된다.

이후, 외부피폭유효선량산출단계(S340)는 피폭선량산출부(300)가 외부피폭 유효선량 산출식

을 이용하여 오염 공기 중에 노출에 따른 외부피폭 유효선량을 산출하기 위한 단계이다.

상기 외부피폭 유효선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 노출에 따른 외부피폭 유효선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사성 핵종 i에 대한 선량 환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥)]이며,

는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 을 의미한다.

이때, 상기 외부피폭 선량 환산인자는 도 34에 나타난 환산인자를 참조하게 된다.

이후, 흡입예탁선량산출단계(S350)는 피폭선량산출부(300)가 흡입 예탁 유효선량 산출식

를 이용하여 오염 공기 중에 노출에 따른 흡입 예탁 유효선량을 산출하기 위한 단계이다.

상기 흡입 예탁 유효선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 노출에 따른 흡입 예착 유효선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사성 핵종 i에 대한 선량 환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥),

는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 을 의미한다.

이때, 상기 흡입 유효선량의 환산인자는 도 35에 나타난 환산인자를 참조하게 되며, 상기 흡입 예탁 유효선량의 산출 예시는 도 36에 도시하였다.

이후, 갑상선등가선량산출단계(S360)는 피폭선량산출부(300)가 갑상선 선량 산출식

를 이용하여 오염 공기 중에 방사성 옥소 흡입에 따른 등가 선량을 산출하기 위한 단계이다.

상기 갑상선 선량 산출식에서,

는 오염 공기 중에 방사성 옥소 흡입에 따른 등가선량[mSv],

는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],

는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 을 의미한다.

이때, 상기 갑상선 선량 환산인자는 도 37에 나타난 환산인자를 참조하게 되며, 상기 흡입에 따른 갑상선 선량의 산출 예시는 도 38에 도시하였다.

이후, 최종적으로 총유효선량산출단계(S370)는 피폭선량산출부(300)가 총 유효선량 산출식

를 이용하여 총 유효선량을 산출하게 된다.

이때, 상기 총 유효선량 산출식에서,

은 총 유효선량,

는 외부 피폭에 의한 유효선량 ,

는 흡입에 의한 예탁 유효선량 ,

는 섭취에 따른 예탁 유효선량(장기간 오염 시 적용하므로 제외) 을 의미한다.

지금까지 설명한 예시에 대한 최종 결과값인 총 유효선량은 도 39에 도시하였다.

이때, 관리자의 모니터에 표출되는 화면 중 갑상선등가선량산출단계(S360)에 의해 산출된 갑상선 유효선량 화면을 도 40에 도시하였으며, 총유효선량산출단계(S370)에 의해 산출된 총 유효선량을 도 41에 도시하였다.

지금까지 설명한 본 발명에 따른 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법은,

또한, 방재훈련 유도를 목적으로 모델링을 사용함에 있어 36방위(360도를 10도씩 분할하여) 방식이 아닌 16방위 방식을 적용함으로써, 훈련에서의 풍향도 16방위로 설정하여 제공하여 훈련 시 간단한 방위를 이용하기 때문에 주민들의 이해도를 높일 수 있게 된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100 : 방사선원항산출부
200 : 대기확산산출부
300 : 피폭선량산출부

Claims

방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법에 있어서,
방사선원항 산출부(100)가 방사성 물질의 종류와 양을 산출하는 방사선원항산출단계(S100)와,
대기확산산출부(200)가 방출된 방사성 물질의 대기확산과 침적과정을 통하여 특정지점별로 공기 중에서의 방사성 물질 농도와 지표에서의 방사성 물질 농도를 산출하는 대기확산산출단계(S200)와,
피폭선량산출부(300)가 방사성 물질의 농도로부터 피폭선량을 산출하여 인체에 미치는 방사학적 영향을 산출하는 피폭선량산출단계(S300)를 포함하고,

상기 방사선원항산출단계(S100)는,
방사선원항산출부(100)가 원자로에 이상 발생 상황을 부여하여 원자로를 모의로 셧다운시키는 원자로셧다운단계(S105);
방사선원항산출부(100)가 발전소정보DB로부터 사고 원자로 정보를 추출하여 업로드하기 위한 원자로정보업로드단계(S110);
방사선원항산출부(100)가 방사성 물질이 누출되는 절차에 따라 방사선 원항을 계산할 것인가를 판단하기 위한 노심시간종속여부판단단계(S115);
방사선원항산출부(100)가 상기 노심시간종속여부판단단계에서 시간 경과에 따른 방사성 물질 누출 절차를 적용한 경우에 노심 노출 시작시간을 판단하기 위한 노심노출시작시간처리단계(S120);
방사선원항산출부(100)가 원자로 노심에 포함되어 있는 핵종별 방사성 재고량을 노심이 회복될 때까지 설정된 시간단위로 계산하기 위한 핵종별노심재고량산출단계(S125);
방사선원항산출부(100)가 STCP 핵종 그룹별 누출분율을 적용하기 위한 그룹별누출분율적용단계(S130);
방사선원항산출부(100)가 노심 노출 상태가 지속됨에 따라 격납 용기 내 감소인자별 승수 값을 산출하여 인자별 감소 비율을 적용하기 위한 인자별감소율적용단계(S135);
방사선원항산출부(100)가 발전소 유형별 누설율을 적용하기 위한 누설비율적용단계(S140);
방사선원항산출부(100)가 산출식
을 이용하여 선원항을 산출하기 위한 선원항산출단계(S145);
방사선원항산출부(100)가 원항산출 명령창에 입력된 노심 복구시간이 도래하였는지를 판단하기 위한 노심회복여부판단단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법.
상기 산출식에서, S_ij는 사고조건 j에서 i 핵종의 누출 총량, I_i는 i 핵종의 재고량, ARF_ij는 사고조건 j에서 i 핵종의 공기 중 누출 비율, RDF_ik는 저감조건 k에서 i 핵종의 저감비율, LF_j는 사고조건 j에서 i 핵종의 누설 분율을 의미함.
제 1항에 있어서,
상기 방사선원항산출부(100)는,
원자력발전소 정보를 저장하고 있는 발전소정보DB(400)로부터 방사능 누출 모의 상황에 대한 정보를 파악하여 방사성 물질의 종류와 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 대기확산산출단계(S200)는,
대기확산산출부(200)가 EPZ지역을 3개의 반경으로 구분하며, 사고발생 원자로를 중심으로 거리별 8개 동심원을 결정하여 도북을 중심 좌우로 16 방위로 분할하며, 8개의 동심원과 16 방위선으로 구성된 그리드 교차점에 총 128개의 리셉터를 선정하기 위한 리셉터선정단계(S205);
대기확산산출부(200)가 총 128개의 리셉터마다 각각의 위치값을 결정하기 위한 리셉터위치값결정단계(S210);
대기확산산출부(200)가 주/야간 및 우천 여부, 구름 분포, 풍속에 대한 훈련 기상정보를 가지고 대기안정도를 평가하기 위한 대기안정도평가단계(S215);
대기확산산출부(200)가 대기 확산계수 실험식
,
와 Pasquill-Gifford의 확산 계수(Coefficient)를 이용하여 대기안정도에 따른 확산계수
(x),
(x)를 계산하기 위한 리셉터대기확산계수계산단계(S220);
대기확산산출부(200)가 선원항산출단계(S145)에서 산출된 선원항 산출 자료를 적용하기 위한 선원항산출자료적용단계(S225);
대기확산산출부(200)가 각각의 리셉터에 대한 핵종별 공기 중 농도를 산출하기 위한 리셉터공기중농도산출단계(S230);
대기확산산출부(200)가 모든 리셉터에 대한 공기 중 농도 산출이 완료되었는지를 판단하기 위한 전리셉터완료판단단계(S235);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법.
제 4항에 있어서,
상기 리셉터선정단계(S205)는,
대기확산산출부(200)가 EPZ지역을 3개의 반경으로 구분하기 위한 반경구분단계(S205A);
대기확산산출부(200)가 사고발생 원자로를 중심으로 거리별 8개 동심원을 결정하기 위한 동심원결정단계(S205B);
대기확산산출부(200)가 도북을 중심 좌우로 16 방위로 분할하기 위한 16방위분할단계(S205C);
대기확산산출부(200)가 8개의 동심원과 16 방위선으로 구성된 그리드 교차점에 총 128개의 리셉터를 선정하기 위한 128개리셉터선정단계(S205D);
대기확산산출부(200)가 선정된 리셉터에 식별자를 부여하기 위한 식별자부여단계(S205E);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법.
제 1항에 있어서,
상기 피폭선량산출단계(S300)는,
피폭선량산출부(300)가 선원항 계산을 통해 산출된 핵종별 방사능 누출량을 누출율로 환산하기 위한 방사능누출율계산단계(S310);
피폭선량산출부(300)가 누출율에 풍하방향 거리와 대기 안정도에 따라 방출지점으로부터 특정 거리에 따른 희석인자를 적용하기 위한 희석인자적용단계(S320);
피폭선량산출부(300)가 농도 산출식
을 이용하여 풍하방향 공기 중 농도를 산출하기 위한 풍하방향공기중농도산출단계(S330);
피폭선량산출부(300)가 외부피폭 유효선량 산출식
을 이용하여 오염 공기 중에 노출에 따른 외부피폭 유효선량을 산출하기 위한 외부피폭유효선량산출단계(S340);
피폭선량산출부(300)가 흡입 예탁 유효선량 산출식
를 이용하여 오염 공기 중에 노출에 따른 흡입 예탁 유효선량을 산출하기 위한 흡입예탁선량산출단계(S350);
피폭선량산출부(300)가 갑상선 선량 산출식
를 이용하여 오염 공기 중에 방사성 옥소 흡입에 따른 등가 선량을 산출하기 위한 갑상선등가선량산출단계(S360);
피폭선량산출부(300)가 총 유효선량 산출식
를 이용하여 총 유효선량을 산출하기 위한 총유효선량산출단계(S370);를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법.
상기 농도 산출식에서,
는 방사성 핵종
의 공기 중 농도 [kBq/㎥],
는 방사성 핵종
의 누출율 [kBq/sec],
는 평균 풍속 [m/sec],
은 방출지점으로부터 특정거리에서의 희석인자[
]이며,
상기 외부피폭 유효선량 산출식에서,
는 오염 공기 중에 노출에 따른 외부피폭 유효선량[mSv],
는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],
는 방사성 핵종 i에 대한 선량 환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥)]이며,
상기 흡입 예탁 유효선량 산출식에서,
는 오염 공기 중에 노출에 따른 흡입 예착 유효선량[mSv],
는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],
는 방사성 핵종 i에 대한 선량 환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥),
는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 이며,
상기 갑상선 선량 산출식에서,
는 오염 공기 중에 방사성 옥소 흡입에 따른 등가선량[mSv],
는 방사성 핵종 i의 공기 중 평균농도[kBq/㎥],
는 방사성 핵종 i에 대한 갑상선 선량환산인자[(mSv/h)/(kBq/㎥),
는 방사능 구름에 의한 피폭기간[h] 이며,
상기 총 유효선량 산출식에서,
은 총 유효선량,
는 외부 피폭에 의한 유효선량 ,
는 흡입에 의한 예탁 유효선량 ,
는 섭취에 따른 예탁 유효선량임.
제 6항에 있어서,
상기 갑상선등가선량산출단계(S360)에 의해, 산출된 갑상선 유효선량을 화면에 표출시키며, 총유효선량산출단계(S370)에 의해 산출된 총 유효선량을 화면에 표출시키는 것을 특징으로 하는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법.
제 1항에 있어서,
상기 방사선원항산출단계(S100)를 통해 산출된 방사선 원항 정보를 화면에 표출시키며,
상기 대기확산산출단계(S200)를 통해 산출된 방사능 농도 정보를 특정 지점별로 화면에 표출시키며,
상기 피폭선량산출단계(S300)를 통해 산출된 피폭선량 정보를 화면에 표출시키는 것을 특징으로 하는 방사능 재난 대응훈련을 위한 방사능 확산 모델링 방법.