있으며, 만일의사고가발생하는경우에는설계특성상방사성물질이원자로건물의환기계통을통해혹은누설등으로인해환경으로방출된다. U. S. NRC 와국제원자력기구 (International Atomic Energy Agency; IAEA) 등의기관에서는이러한유형의방출을지표면방출 (gro

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1 논문 기상자료의통계처리방법이원자력발전소의가상사고시단기대기확산인자에미치는영향 황원태, 김은한, 정해선, 정효준, 한문희한국원자력연구원 2012 년 6 월 15 일접수 / 2012 년 7 월 12 일 1 차수정 / 2012 년 7 월 25 일 2 차수정 / 2012 년 7 월 29 일채택 미국원자력규제위원회 (U. S. NRC) 에서개발한 PAVAN 프로그램을사용하여기상자료의통계처리방법에따른원자력발전소의수명기간중발생할수있는가상사고시단기대기확산인자값의영향을분석하였다. 대기확산을평가하기위한기본요소는기상자료이며, PAVAN 에서는대기안정도에대한풍향과풍속의발생빈도를나타내는결합빈도분포자료를사용하여평가한다. 고리와월성원자력발전소부지에서 년까지 5 년간관측된기상자료를사용하여풍속등급의분류방법 (U. S. NRC 권고와균등발생빈도분류방법 ) 과평가에적용되는기상자료의통계처리기간 (1 년, 2 년, 3 년, 4 년, 5 년 ) 에따른결합빈도분포자료를작성하여단기대기확산인자를평가하였다. 평가결과, 두원자력발전소부지모두풍속등급의분류에따른단기대기확산인자값의영향은미미한반면평가에적용되는기상자료의분석기간은상대적으로중요한영향을나타냈는데, 최대값과최소값의비는 1.5 배이상의차이를보였다. 중심어 : 가상사고, 단기대기확산인자, 결합빈도분포자료, PAVAN 1. 서론 1) 안전성분석보고서 (Safety Analysis Report; SAR) 는원자력발전소 ( 이하원전 ) 를포함하는모든원자력시설의건설및운영인허가신청을위한필수문서이다. 동보고서에는원자력시설의수명기간중에발생할지모르는만일의사고를가상하여설령그러한사고가발생하더라도제한구역경계에위치한일반인의방사능위해가기준치이내임을입증해야한다. 원자력시설의사고로인해대기로누설된방사성물질은주변의기상상태에따라이류 (advection), 확산 (diffusion) 되어인체에영향을주게된다. 이러한사고는어떤기상조건에서발생할지예측하기힘들기때문에현재까지수집된부지기상자료를사용하여보수적으로확산을평가한다. 사고로인한방사선피폭의영향은공기중농도에정비례하며, 방사성물질이단위방출률로누설되었을때공기중농도를나타내는대기확산인자를사용하여평가한다. 미국원자력규제위원회 (U. S. Nuclear Regulatory Commission; U. S. NRC) 에서는원자력시설이위치할부지에서대기확산인자평가를위한기상관측탑의설치요건, 측정해야할기상요소, 기상관측방법, 수집된기상자료의통계처리방법등에대한지침을제공한다 [1]. 또한수집된기상자료를사용하여가상사고에대해 0 2 시간대기확산인자 ( 단기대기확산인자 ) 를평가하 기위한방법에대한지침 [2] 과아울러동지침을이행하는규제검증용프로그램인 PAVAN [3] 을제공하고있다. 가상사고에따른기상자료수집및대기확산인자평가에대한국내지침은상기 U. S. NRC 규제지침을기반으로하여원자력안전위원회고시 호 ( 원자로시설부지의기상조건에관한조사 평가기준 )[4] 로법제화되어있다. 규제검증용프로그램 PAVAN 에서단기대기확산인자의평가는측정된기상요소값을이용한대기안정도에따른풍향과풍속구간의발생빈도를나타내는결합빈도분포자료 (joint frequency distribution data) 를사용한다. U. S. NRC 규제지침 [2] 에서권고하는결합빈도분포자료의작성지침은평가하고자하는부지에대한특별한정보가없는경우에일반적으로적용가능한방법을기술하고있으며, 해당원자력시설이위치할부지에적용타당성은단계적분석과고찰을통해검토되어야한다. 그럼에도불구하고지금까지국내사례를보면대부분의경우 U. S. NRC 에서권고하는방법을준용하여왔다. 본연구에서는국내원전부지에서측정된기상자료를이용하여가상사고시기상자료의통계분석방법 ( 풍속구간의분류, 평가에적용되는기상자료의분석기간 ) 에따른대기확산인자값의영향을분석하였다. 2. 재료및방법 책임저자 : 황원태, wthwang@kaeri.re.kr 대전광역시유성구대덕대로 989 번길 111 한국원자력연구원 ( ) 2.1 사고시대기확산인자현재국내에는가압경수로와가압중수로가운영되고 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.37 NO.3 SEPTEMBER

2 있으며, 만일의사고가발생하는경우에는설계특성상방사성물질이원자로건물의환기계통을통해혹은누설등으로인해환경으로방출된다. U. S. NRC 와국제원자력기구 (International Atomic Energy Agency; IAEA) 등의기관에서는이러한유형의방출을지표면방출 (ground release) 로간주하여평가하도록권고하고있다 [2,5]. U. S. NRC 에서는지표면방출에대한단기대기확산인자를직선궤적 Gaussian 플륨모델 (straight-line Gaussian plume model) 을사용하여다음의식과같이평가하도록권고하고있다 [2]. (3) 여기서, : 플륨중심선의지표면위단기대기확산인자 [sec m -3 ] : 10 m에서측정된풍속 [m sec -1 ] : 수평확산계수 [m] : 수직확산계수 [m] : 플륨의사행효과 (meandering effect) 를반영한수평확산계수 [m] (1) (2) 플륨의사행효과는풍속이낮고대기가안정할경우에 플륨이직선궤적이아닌지그재그움직임으로인해실제이동거리가길어지고이에따라보다많은확산을고려하기위한것이다. 풍속이 6 m sec -1 보다낮고대기안정도가중립 ( 대기안정도등급 D) 또는안정상태 ( 대기안정도등급 E, F, G) 에서는수평방향으로플륨의사행효과가고려된다. 이러한기상조건에서는식 (1) 과식 (2) 로평가된대기확산인자값중에서보다높은값이선택되고, 선택된값이식 (3) 으로평가된대기확산인자값과비교하여보다큰값이최종적으로선택된다. 상기기상조건이외의경우에대해서는식 (1) 과식 (2) 로평가된대기확산인자값중에서보다높은값이선택된다. 이렇게계산된대기확산인자값은부지에서측정된기상자료의결합빈도분포자료를사용하여 16 개방향과모든방향에대한대기확산인자값의누적분포확률을구한다. 이들로부터총시간의방위별 0.5% 값과모든방향의 5% 값을초과하지않을대기확산인자값을구한다. 16 개방위에대해가장높은대기확산인자값과모든방향에대한대기확산인자값을비교하여보다큰값이최종적으로해당부지에대한단기대기확산인자값으로결정되어사고시피폭선량평가에활용된다. 2.2 기상자료분석가압경수로와가압중수로를각각대표할수있는고리와월성원전부지에서 2006 년부터 2010 년까지 5 년간 10 m 의높이에서측정된기상자료를수집하여분석하였다. Fig. 1. Annual wind roses in Kori site (Each percent in the center of the circles represents an occurrence probability of calm condition). 117 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.37 NO.3 SEPTEMBER 2012

3 Fig. 2. Annual wind roses in Wolsung site (Each percent in the center of the circles represents an occurrence probability of calm condition). 그림 1 과그림 2 는각각고리와월성부지에서관측된기상자료를분석한연도별바람장미 (wind rose) 를보여준다. 단기대기확산인자값은확산이잘되지않는악한기상조건 ( 풍속이낮고대기가안정한경우 ) 의발생확률이중요한인자이다. 대기확산인자값은풍속에반비례하며, 이러한관점에서보면바람이거의불지않는정온상태 (calm condition ; 일반적으로풍속이 0.5 m sec -1 로정의 ) 의발생빈도는고리부지가월성부지에비해상대적으로적게관측되어다른기상조건이동일하다고가정하였을경우고리부지가보다양호하다고추정할수있다. 다만 2008 년도에고리부지에서관측된정온상태의발생빈도 (12.2%) 는다른해에비해 3 4 배가많을뿐아니라월성부지에서 5 년간관측기간중에서가장높은해의발생빈도 (11.7%) 보다도많이관측되는특이현상을나타내었다. Fig. 3. Annual occurrence probabilities of atmospheric stability in Kori site (A: Very unstable, B: Unstable, C: Slightly unstable, D: Neutral, E: Slightly stable, F: Stable, G: Very stable). JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.37 NO.3 SEPTEMBER

4 Fig. 4. Annual occurrence probabilities atmospheric stability in Wolsung site (A: Very unstable, B: Unstable, C: Slightly unstable, D: Neutral, E: Slightly stable, F: Stable, G: Very stable). 그림 3 과그림 4 는각각고리와월성부지에서관측된대기안정도의연도별발생빈도를보여준다. 대기안정도관점에서확산에좋지않는기상조건 (Pasquill-Gifford 분류등급에따른대기안정도 F 혹은 G) 은고리부지의경우대기안정도 F 등급이 %, G 등급이 %, 월성부지의경우대기안정도 F 등급이 %, G 등급이 % 의연간발생빈도를나타냈다. 대기안정도의연도별발생빈도의변화폭이넓어두부지의상대적확산의양호성을판단하기는쉽지않다. 다만확산에가장좋지못한대기안정도 G 등급발생확률은월성부지가상대적으로높게관측되었다. 풍속과대기안정도뿐아니라풍향의발생빈도도단기대기확산인자에중요한영향을준다. 즉어떤특정방향으로풍향의발생빈도가많을경우전방향으로고르게분포되었을경우보다단기대기확산인자는높게나타난다. 고리부지의경우최다풍향의연도별발생빈도는 %, 월성부지의경우 % 를나타냈다. 대기안정도의발생빈도와마찬가지로연도별최다풍향발생빈도의변화폭이넓어두부지의상대적확산의양호성을논하기는쉽지않다. 3. 결과및고찰 기상자료는원자력시설의사고시환경으로누설된방사성물질의이동및확산을평가하기위한필수요소이다. U. S. NRC 에서개발된단기대기확산인자평가프로그램 PAVAN 은기상자료의통계적방법에근거하여개발된것으로, 이들처리방법에따라단기대기확산인자값은차이를나타낼수있다. 이러한영향을분석하기위해고리와월성원전부지에서 2006 년부터 2010 년까지 5 년간 10 m 높이에서관측된기상자료를수집하였으며, 풍속등급의분류방법과평가에적용되는기상자료의분석기간에따라다른결합빈도분포자료를작성하였다. 본연구에서는앞서언급한바와같이기상자료의통계분석방법에따른영향을분석하는것이주목적이기때문에원자로건물에의한확산영향은고려하지않는다. Fig. 5. Short-term atmospheric dispersion factor at the radius 1km from Kori and Wolsung nuclear power plants with different wind speed classifications, when annual meteorological data were used. 풍속구간의분류에따른단기대기확산인자값의영향을분석하기위해 U. S. NRC 의규제지침에서권고하는풍속등급의구간 (<0.5, , , , , , , , , , >10.0 m sec -1 ) 과국내원전부지의기상자료를분석하여균등발생빈도를나타내는풍속등급의구간으로구분하였을경우결합빈도분포자료를각각작성하여 PAVAN 프로그램의입력자료로활용하였다. 풍속등급의균등발생빈도를나타내는풍속구간을구분하는방법은정온상태를발생빈도에관계없이하나의등급으로정하고, 나머지발생빈도를사용하여 9 개풍속등급으로가능한균등한분포를갖도록구분하였다. 이러한균등분포의구분은각부지의 5 년간기상자료를통계처리하여설정하였다. 다만고리부지의경우 2008 년도에관측된기상자료가다른연도와달리단기대기확산인자에중요한영향을미치는정온상태의발생빈도가 3 4 배높아풍속등급의균등분포를설정하는데있어서왜곡될수있어활용하지않았다. 이러한방법으로얻어진고리부지의풍속등급분류는 <0.5, , , , , , , , , >4.0 m sec -1 이며, 월성부지의경우에는 <0.5, , , , , , , , , >5.0 m sec -1 이다. 그림 5 는고리와월성부지의연도별기상자료를사용하여원전으로부터반경 1 km 지점에서풍속등급의분류 (U. S. NRC 의권고와균등발생분포 ) 에따른단기대기확산인자값의변화를보여준다. 일반적으로월성부지의단기대기확산인자값이고리부지보다높게나타났으며, 이는월성부지가정온상태를포함한저풍속구간의발생빈도가상대적으로많은것이가장큰요인인것으로판단된다 년도고리부지의단기대기확산인자값이다른해에비해높게나타났는데이는앞서언급한바와같이특이하게도다른해에비해많은정온상태가관측되었기때문이다. 두부지모두균등발생분포의풍속구간으로구분하였을경우 U. S. NRC 의권고풍속등급구간으로평가하였을경우보다단기대기확산인자값이낮게나타났다. 그러나두부지모두값에대한변화는미미하 119 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.37 NO.3 SEPTEMBER 2012

5 며, 특히저풍속이상대적으로많은월성부지의경우에는더욱그러하다. 단기대기확산인자값은확산에좋지못한악한기상조건에서결정되기때문에이러한결과가도출된반면, 정상운영시피폭선량에활용되는연간평균대기확산인자의경우에는두다른조건의풍속구간이차이를보일수있다. 연간평균대기확산인자는본논문의연구범위를벗어나기때문에논하지않는다. U. S. NRC 에서출판한안전성분석보고서심사지침서 (NUREG-0800) [6] 와 IAEA 보고서 [7] 등에서는평가에활용되는기상자료의분석기간을명시하지않고부지의대표적인기상현상을모사할수있는자료를사용하도록권 고하고있다. 다만미국의법규를준용하여국내의경우원자력시설의건설허가를위해서는최소한 1 년, 운영허가를위해서는최소한 2 년의기상자료를사용하여평가하도록규정하고있다 [4]. 국내원전의현황을보면부지확보의어려움으로기존부지에추가적으로건설 운영하는경우가많으며, 이경우기존원전의운영에따른방사성유출물관리와방사능방재등을목적으로이미오랜기간동안기상관측탑이운영되어장기간의자료를확보하고있다. 따라서단기대기확산인자를평가함에있어적용되는기상자료의분석기간이결과에중요한영향을미칠수있다. Table 1. Short-term Atmospheric Dispersion Factors at the Radius of 1 km from Kori and Wolsung Nuclear Power Plants, in the Case of Considering the Different Periods of Meteorological Data to Be Analyzed. Years of meteorological data to be analyzed Short-term atmospheric dispersion factor (sec m -3 ) Kori site Wolsung site 1 year year year year year x10-4 Short-term dispersion factor (sec/m 3 ) 4.5x x x x x x x x10-4 1yr 2yr 3yr 4yr 5yr 1yr 2yr 3yr 4yr 5yr KORI site Wolsung site Period of meteorological data to be analyzed Fig. 6. Variation range of short-term atmospheric dispersion factors at the radius of 1 km from Kori and Wolsung nuclear power plants, in the case of considering the different periods of meteorological data to be analyzed. JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.37 NO.3 SEPTEMBER

6 표 1 은 U. S. NRC 규제지침에서권고하고있는풍속등급을사용하여평가에적용되는기상통계분석기간을달리하였을경우고리와월성원전으로부터반경 1 km 에서단기대기확산인자값을나타낸다. 고리부지의경우단기대기확산인자의최소값은 sec m -3, 최대값은 sec m -3 으로최대값에대한최대값의비는 1.59 였다. 또한월성부지의경우단기대기확산인자의최소값은 sec m -3, 최대값은 sec m -3 으로최대값에대한최대값의비는 1.54 였다. 그림 6 은표 1 의결과를사용하여적용되는기상통계분석기간에따른단기대기확산인자값의변동폭을나타낸다. 평가에적용되는기상자료의통계분석기간이길수록단기대기확산인자값의변동폭은줄어듦을알수있다. 4. 결론 미국원자력규제위원회 (U. S. NRC) 에서개발한 PAVAN 프로그램을사용하여기상자료의통계처리방법 ( 풍속등급의분류, 평가에적용되는기상자료분석기간 ) 에따른원자력발전소의수명기간중발생할수있는가상사고시단기대기확산인자값의영향을분석하였다. 평가한결과두원자력발전소부지모두풍속등급의분류에따른단기대기확산인자값의영향은미미한반면평가에적용되는기상자료의분석기간은상대적으로중요한영향을나타냈는데, 최대값과최소값의비는 1.5 배이상의차이를보였다. 따라서단기대기확산인자을평가함에있어풍속등급의분류보다는평가에활용되는기상관측기간의선정에보다조심성을기울여야할것으로판단된다. 원자력시설의신규부지뿐아니라기존부지의가상사고에따른피폭영향평가는방사선환경안전성확인을위한필수요소이다. 현재우리나라의지형적및사회적특수성을고려할때원자력시설부지의확보가점점어려워지고있는실정이며, 본연구결과는원자력부지의방사선환경안전성입증을위한국내고유의피폭선량평가체계확립에기여할것으로판단된다. 감사의글본연구는교육과학기술부와원자력안전위원회의중장기연구개발사업으로수행되었습니다. ( 과제번호 : 및 ) 참고문헌 1. U. S. Nuclear Regulatory Commission (NRC). Meteorological monitoring programs for nuclear power plants. Regulatory guide 1.23 revision U. S. Nuclear Regulatory Commission (NRC). Atmospheric dispersion models for potential accident consequence assessments at nuclear power plants. Regulatory guide revision U. S. Nuclear Regulatory Commission (NRC). PAVAN: An atmospheric dispersion program for evaluating design basis accidental releases of radioactive materials from nuclear power stations. NUREG/CR PNL 원자력안전위원회. 원자력시설부지의기상조건에관한조사 평가기준. 원자력안전위원회고시제 호 International Atomic Energy Agency. Generic models for use in assessing the impact of discharges of radioactive substances to the environment. Safety reports series No U. S. Nuclear Regulatory Commission (NRC). Onsite meteorological measurements program. NUREG revision International Atomic Energy Agency. Dispersion of radioactive material in air and water and consideration of population distribution in site evaluation for nuclear power plants. IAEA safety standards series No. NS-G JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.37 NO.3 SEPTEMBER 2012

7 Influence of Statistical Compilation of Meteorological Data on Short-Term Atmospheric Dispersion Factors in a Hypothetical Accidental Release of Nuclear Power Plants Won Tae Hwang, Eun Han Kim, Hae Sun Jeong, Hyo Joon Jeong, and Moon Hee Han Korea Atomic Energy Research Institue Abstract - A short-term atmospheric dispersion factor () is an essential element for radiological dose assessment following a hypothetical accidental releases of light-water nuclear power plants. The U. S. NRC developed PAVAN program to comply with the U. S. NRC's Regulatory Guide Meteorological data is an essential element for atmospheric dispersion, and PAVAN uses a joint frequency distribution data, which represents the occurrence probability of wind speed and wind direction for atmospheric stability. Using the meteorological data measured at Kori and Wolsung sites for the last 5 years (from 2006 to 2010), a variety of joint frequency distribution data were prepared to evaluate values with different wind speed classifications (U. S. NRC's recommendation and even distribution of occurrence probability) and periods of meteorological data to be analyzed (1 year, 2 year, 3 year, 4 year, 5 year). As a result, it was found that the influence of the wind speed classification on values is little, while the influence of the periods of meteorological data to be analyzed is relatively significant, representing more than 1.5 times in the ratio of maximum to minimum values. Keywords : Hypothetical accident, Short-term atmospheric dispersion factor, Joint frequency distribution data, PAVAN JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.37 NO.3 SEPTEMBER

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JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.33 NO.2 JUNE 2008 67 68 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.33 NO.2 JUNE 2008 Fig. 1. Atmospheric exposure pathway in the NukPacts model (Source : European Commission