기술논문 도시환경에서방사능오염표면의중요도분석 황원태, 정효준, 김은한, 한문희, 안민호, 김인규 한국원자력연구원원자력환경안전연구부 2011 년 6 월 7 일접수 / 2011 년 9 월 21 일 1 차수정 / 2011 년 9 월 26 일 2 차수정 /2011 년 9 월 27 일채택 국제원자력기구 (IAEA) 에서주관하는국제비교프로그램 EMRAS-2(Environmental Modelling for RAdiation Safety, Phase 2) 내도시오염평가분과에서설계한가상방사능오염시나리오에대해국내모델 METRO-K 를사용하여도시환경을구성하는오염표면의선량률에대한중요도를분석하였다. 선량률에대한오염표면의기여는평가위치와사건발생후시간에따라뚜렷이다른차이를나타냈다. 또한사건이발생한당시강우의유무와강우의강도에따라서도오염표면의기여는뚜렷한차이를나타냈다. 결과적으로만일원자력발전소의사고나방사능분산장치의폭발등과같은불의의사건이발생하여도시지역을오염시킬경우방사능피폭에따른인체위해뿐아니라경제적 사회적영향을최소화하기위해서는해당환경을구성하고있는표면의특성을고려하여적절한대응행위를선택하는것이중요하다는사실을알수있었다. 중심어 : 도시환경, 방사능오염, 오염표면, 선량률 1. 서론 1) 국제원자력기구 (IAEA) 가주관하는국제비교프로그램 EMRAS-2 (Environmental Modelling for RAdiation Safety, Phase 2) 는이전프로그램인 EMRAS-1 (2003 2007) 의후속프로그램으로변화하는방사선환경방호의새로운관심사에대한국제적조화를목적으로 2009 년초에조직되어 2012 년초까지운영될예정이다 [1]. EMRAS-2 는 9 개의분과 (Working Group) 로구성되어있으며, 그중에서도시오염평가분과 (Urban Area Working Group) 는방사성물질의대기중확산과표면으로침적을포함하여도시지역에서오염평가를위해사용할수있는모델의예측결과를비교 논의하고이를통해얻어진지식과경험등으로부터모델의개선과향상을도모하는것을목표로한다. 동분과에서는모델예측결과를비교하기위해 1) 단거리대기확산시나리오, 2) 중거리대기확산시나리오, 3) 침적후대응행위시나리오를설계하였다. 방사성물질의침적후대응행위시나리오에는서울의한도심지역이대상지역으로선정되었으며한국원자력연구원에서개발한도시오염평가모델 METRO-K 의평가결과가참여중에있다 [2,3]. 도시환경은다양한인공또는자연표면으로구성되어있으며방사성핵종의거동은이들표면에따라여러차이를나타낼수있다. 따라서원자력발전소의사고로방사성물질이대기중으로이동 확산되어도시지역까지유입되는경우나도시지역에서방사능분산장치의폭발과같은불의의 교신저자 : 황원태, wthwang@kaeri.re.kr 대전광역시유성구대덕대로 989 번길 11 한국원자력연구원 사건이발생할경우피해를최소화하기위해서는해당오염지역의다양한환경을고려하여적절한대책을수립하여야한다. 본논문에서는 EMRAS-2 의도시오염평가분과에서설계한방사성물질의침적후대응행위시나리오에대해 METRO-K 를사용하여평가한도시환경을구성하는표면의중요도를비교 분석하였다. 2. 재료와방법 2.1 METRO-K 의개요공기중방사성물질은확산과중력뿐아니라강우에의해표면으로떨어지게되는데전자를건침적 (dry deposition), 후자를습침적 (wet deposition) 이라한다. 건침적된방사성물질중에서일정부분은표면의습기등에의해고착되는데, 고착된핵종은바람이나강우등과같은외부의환경적요소에의해쉽게제거되지않는다. 반면나머지일정부분은핵종과표면간에고착정도가약해상대적으로환경적요소에의해쉽게제거된다. 전자를고착성분율 (fixed fraction), 후자를이동성분율 (mobile fraction) 이라한다. 습침적된핵종은대부분고착성이되며, 표면에따라일정강우량이상에서는 run-off 가일어난다. Run-off 가일어나는최소강우량을임계량이라하며이는표면의종류와상태등에따라다르다. 임계량을초과한강우는모두 run-off 되지만, run-off water 에포함된일정부분의방사성물질은표면에잔류하게된다. 건침적된이동성핵종은시간이경과 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.3 SEPTEMBER 2011 148
Fig. 1. Schematic diagram for radiological dose assessment of the METRO-K (CAP represents the minimum precipitation amount which causes run-off, and it is an abbreviation of the critical amount of precipitation). (a) Business area (b) Park area Fig. 2. An urban area designed for the countermeasure scenarios following a radioactive contamination. 함에따라습기등으로인해계속해서일정부분은고착성핵종이되며, 만일도중에강우가있다면모두고착성이되고임계량이상에서는 run-off 가되어일정부분은표면에서제거된다. 방사성물질의환경누설은체르노빌원전사고에서보았듯이십수일동안지속될수있는데 METRO-K 에서는하루단위로공기중평균농도 (Bq m -3 ) 와강우량 (mm) 자료를사용하여단계적으로각기다른표면에서의총침적량을계산한다. 핵종의침적이진행되는동안에는이전시간에침적된핵종에대해방사능붕괴와 run-off 를고려하여표면농도를보정하며기타다른환경적요소에의한제거는고려치않는다. 침적이완료된시점에서각기다른표면에대한총침적량이계산되면공기커마 (kerma) 에대한데이터라이브러리를사용하여피폭자의거주위치에따른선량률을 평가한다. 공기에있는방사성핵종의침적이완료된후표면의농도는기상및기후등의환경적요소에의해희석된다. 이러한방사성핵종의도시환경내거동은핵종뿐아니라표면의종류등에따라다르며 METRO-K 에적용하고있는변수값은참고문헌 [2] 에잘기술되어있으며, 선량평가흐름도를그림 1 에나타냈다. 2.2 방사능오염시나리오그림 2 는 EMRAS-2 의도시오염평가분과에서선정된방사성물질의침적후대응행위시나리오를위해선정된서울의한중심가를보여준다. 평가참여자를위해동지역의지형, 기후, 생활, 건물특성등에대한자료를문서화하여제공하였으며, 보다상세자료를요구하는평가자들을위해건물 149 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.3 SEPTEMBER 2011
의좌표및속성 ( 건물높이, 표면구성, 재질등 ), 주변환경구성 ( 건물, 도로, 공원등 ) 에대한속성자료를 GIS (Geographical Information System) 로구현하여제공하였다. 방사능오염의발단은명확하게정의하지않았지만도시지역에서테러분자에의한방사능분산장치의폭발을염두하여 60 Co 와 239 Pu 이선택되었다. 사건이발생한당일에공기중농도는두핵종에대해각각 1 MBq day m -3, 입자의크기는 1 를가정하였다. 도시오염평가분과에서는동시나리오에대해사건이발생한당일에비가없는경우, 적은비 (3 mm day -1 ) 와많은비 (20 mm day -1 ) 가내릴경우대해, 그리고그러한사건이여름철 (6 월 1 일 ) 과겨울철 (1 월 1 일 ) 에각각발생한경우를가정하였다. 평가지점은그림 2 에나타낸바와같이상업지구에위치한 24 층건물 (Building 1 으로표시 ) 의외부를포함한 4 개지점 (Building 1 의 1 층, 10 층, 24 층의실내와외부 ), 공원지역의 2 개지점 ( 공원내오솔길과주차장 ) 이며, 8 가지각기다른대응행위의조합된시나리오에대해평가수행을요청받았다. 2.3 METRO-K 의적용우리나라대표적도시환경을고려하여개발한 METRO-K 를 EMRAS-2 에서설계한침적후대응행위시나리오에적용하기위해위치에따른공기중커마 (kerma) 가수정되었다. METRO-K 에서공기중커마는 Mechbach 등이 Monte Carlo 방법을사용하여평가한값을수정하여활용해오고있다 [3]. EMRAS-2 의침적후대응행위시나리오에적용하기위해공기중커마를재수정하였으며, 그방법의예시를그림 3 에나타냈다. 그림에서나타낸바와같이 5 층건물의오염지붕으로부터 3 층실내의공기커마 ( ) 는 10 층건물의오염지붕으로부터 8 층실내의공기커마와같다고가정하였다. 또한오염나무로부터 5 층건물의 3 층실내에서커마 ( ) 는 10 층건물의 3 층실내에서공기커마와같다고가정하였다. 도로의폭이다른경우동일한도로의폭으로세분화하고, 각세분화된도로로부터받는공기커마는거리의제곱에반비례한다고가정하여추산하였다. (a) Different height of building (b) Different width of road Fig. 3. Approach for the modification of kerma to apply to the hypothetical countermeasure scenarios. JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.3 SEPTEMBER 2011 150
External dose rate (mgy/hr) 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 LO #1 LO #2 LO #3 LO #4 LO #5 LO #6 10-5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time following an event (Julian day) Fig. 4. Predicted external dose rate as a function of location (LO #1, LO #2, LO #3 and LO #4 represent ground floor, 10th floor, 24th floor (top floor), and outdoor of Building 1, respectively. LO #5 and LO # 6 represent trail and parking lot in the park, respectively). Contamination density of 60 Co (Bq/m 2 ) 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 Dry Light rain Heavy rain 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Time following an event (Julian day) Fig. 5. Contamination density of 60 Co at outdoor of Building 1 as a function of precipitation (Light and heavy rains are assumed to be 3 mm day -1 and 20 mm day -1, respectively). 3. 결과와논의 EMRAS-2 도시오염평가분과의대응행위시나리오에서선택된 60 Co 과 239 Pu 는각각 5.3 년, 2 x 10 4 년의긴방사능반감기를가진방사성핵종이다. 60 Co 은베타붕괴하여안정원소인 60 Ni 이되며, 239 Pu 는알파붕괴하여 235 U 가된다. 60 Co 은붕괴하면서 0.69382 MeV, 1.1732 MeV, 1.3325 MeV 의주요감마에너지를방출하며각각의수율 (yield) 은 0.0163%, 100%, 100% 이다. 현재단계에서 METRO-K 에서는 0.3 3.0 MeV 의에너지에대해평가가능하며매우약한감마에너지와수율을갖는 239 Pu 의외부오염에의한선량률은관심범위에서제외하였다. 그림 4 는 METRO-K 를사용하여여름철에사건이발생하였고당일에는비가없으며아무런대응행위도취하지않았을경우 60 Co 의침적에의한평가위치별선량률을보여준다. 건물외부에서의선량률이건물내부에서의선량률보다높게나타났다. 토양또는잔디로구성된공원의오솔길에서의선량률이포장된주차장에서의선량률보다높게나타났으며, 또한시간에따른선량률도상대적으로완만하게감소하였다. Building 1 의건물외부에서의선량률이건물내부에서의선량률보다높게나타났으며, 건물내부에서의선량률도위치에따라큰차이를나타냈다. 건물의최상층 (24 층 ) 실내에서의선량률이비교적높게나타났으며, 건물의중간층 (10 층 ) 이가장낮은선량률을나타냈다. 각기다른 151 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.3 SEPTEMBER 2011
Contribution to external dose rate(%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 wall street tree road Year 0 Year 1 Year 5 Time following an event Fig. 6. Contribution of contaminated surfaces to external dose rate at ground floor of Building 1 100 Contribution to external dose rate (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 roof wall street tree road Ground floor 10th floor Top floor Outside Location at Building 1 Fig. 7. Contribution of contaminated surfaces in case of no precipitation on a day when an event occurs 100 Contribution to external dose rate (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 roof wall street tree road Ground floor 10th floor Top floor Outside Location at Building 1 Fig. 8. Contribution of contaminated surfaces in case of heavy precipitation on the day when an event occurs JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.3 SEPTEMBER 2011 152
위치에서선량률의차이는평가지점선량률에기여하는오염표면의차이에서기인하다. 그림 5 는여름철에사건이발생하였고아무런대응행위도취하지않았을경우 Building 1 의외부에서사건당일에비가오는정도에따른 60 Co 의선량률을보여준다. 외부는보행길로시멘트또는벽돌블록으로포장되어있다. 본결과에서사건이발생한당일에강우는표면의침적에중요한역할을하며, 강우의정도보다는강우의존재에보다민감하였다. 그림 6 은사고당일강우가없고아무런대응행위도취하지않은경우 Building 1 의 1 층실내선량률에대한각기다른오염표면의기여를보여준다. 사건이발생한직후에는도로변가로수에의한영향이가장높았으나시간이경과함에따라도로와건물외벽의중요도가증가하였다. 이는침적후방사성핵종의거동이표면에따라서로상이함에기인한다. 그림 7 은사건이발생한직후건물외부와건물의실내위치에따른오염표면의기여를보여준다. 실내 1 층의경우가로수, 실내 10 층의경우벽, 실내최상층의경우지붕의영향이지배적이며, 건물외부의선량률은가로수와도로의영향이유사한기여도를나타냈다. 이는각기다른평가지점에서기여하는오염표면영향 ( 침적속도, 평가지점과오염표면간의거리, 오염표면의넓이등 ) 의차이에기인한다. 그림 8 은사건발생당일에비가많이온경우위치별선량률에대한오염표면의기여를보여주는데비가없는경우와비교하여표면의중요도는뚜렷한차이를보였다. 특히건물실내 1 층과실외의선량률에대한기여는도로가뚜렷이높게나타났다. 이는각기다른평가지점에서기여하는오염표면영향 ( 평가지점과오염표면간의거리, 오염표면의넓이, 임계강우량, run-off water 내방사성핵종의잔류분율등 ) 의차이에기인한다. 4. 결론 국내모델 METRO-K 을사용한가상의방사능오염시나리오에대해사건이발생한이후평가위치에따라선량률의차이뿐아니라오염표면의기여가큰차이를나타냈다. 또한사건이발생할당시의기후조건에따라서도분명한차이를보였다. 따라서만일원전이나방사능분산장치 (RDD) 의폭발과같은사건이발생하여도시지역을오염시킬경우방사능피폭뿐아니라경제적 사회적피해를최소화하기위해서는해당환경에서오염표면의특성을고려하여적절한대응행위를선택하는것이중요하다는사실을알수있다. 본논문에서제시한결과는어떤특정시나리오에국한한것이며, 다양한시나리오에대해일반적인결과는아님을밝힌다. EMRAS-2 의도시오염평가분과에서구성한대응행위저감효과시나리오에국내모델이참여하고있으며, 세계각국의여러모델로계산한결과와비교 논의중에있다. 동프로그램은 2012 년초에완료되며상세비교결과는그이후 IAEA 기술보고서로발간될예정이다. 감사의글본논문은교육과학기술부의재원으로시행하는한국과학재단의원자력기술개발사업으로지원받았습니다. 참고문헌 1. http://www-ns.iaea.org/projects/emras/emras2 2. 황원태, 김은한, 정효준, 서경석, 한문희. 도시환경에서방사성물질의오염평가모델개발. 대한방사선방어학회지 2005;30(3):99-105. 3. 황원태, 김은한, 정효준, 서경석, 한문희. 도시환경에서방사성물질오염에따른선량평가모델. 대한방사선방어학회지 2007;32(1);1-8. Importance Analysis of Radioactively Contaminated Surfaces in an Urban Environment Won-Tae Hwang, Hyo-Joon Jeong, Eun-Han Kim, Moon-Hee Han, Min-Ho Ahn, and In-Kyu Kim Korea Atomic Energy Research Institute, Nuclear Environment Safety Research Division Abstract - EMRAS-2 (Environmental Modelling for RAdiation Safety, Phase 2) is an international comparison program, which is organized by the International Atomic Energy Agency (IAEA), in order to harmonize the modelling of radionuclide behavior in the environment. To do so, the urban contamination working group within EMRAS-2 has designed the hypothetical scenarios for a specified urban area. In this study, the importance of contaminated surfaces composing an urban environment was analyzed in terms of dose rate using METRO-K, which has been developed to take a Korean urban environment into account. The contribution of contaminated surfaces to exposure dose rate showed distinctly a great difference as a function of specified locations and time following a hypothetical event. Moreover, it showed a distinct difference according to the existence of precipitation, and its intensity. Therefore, if an urban area is contaminated radioactively by any unexpected incidents such as an accident of nuclear power plants or an explosion of radioactive dispersion devices (RDDs), appropriate measures should be taken with consideration of the type of surface composing the contaminated environment in order to minimize not only radiation-induced health detriment but also economic and social impacts. Keywords : Urban environment, Radioactive contamination, Contaminated surface, Exposure dose rate 153 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.3 SEPTEMBER 2011