서
론
1986년 구 소련의 체르노빌 원전 사고 (Sandalls et al. 1993) 이후 세계 각 국은 주변 주민과 환경을 보호하고 원전 사고로부터 주변 주민을 신속히 대피시켜 방사선 장애를 최소화하는 비상대응 모델을 개발하였다. 이러한 비상대응모델의 핵심이 되는 사항은 대기 중으로 방출 된 방사능 물질의 이동∙확산을 신속히 평가하는 장거 리 대기확산모델로 대표적인 모델로는 미국의 NARAC(Nasstrom et al. 1993), 유럽 공동체의 RODOS (Erhart et al. 1993) 및 일본의 WSPEEDI (Furuno et al. 2004) 등이 있다. 우리나라도 주변 동북 아시아권에서 발생할 수 있 는 원전 사고를 대비하여 장거리 대기확산모델인 LADAS (Suh et al. 2006)를 개발하였다.
이러한 장거리 대기확산모델은 모델의 형태 (Lagrang-ian or Euler(Lagrang-ian), 기상 예보자료의 분해능, 확산계수의 선 택, 혼합고의 선정 등 여러 가지 요인에 의해 서로 다른 계산결과를 보여준다. 각 국에서 개발한 모델을 이용하 여 체르노빌 사고의 모사 및 유럽의 장거리 대기확산실 험인 ETEX 실험 (EC 1998)의 모사의 결과를 살펴보면 ─ ─ 67 ──
원전 사고시 비상대응모델의 실시간 평가
서경석*∙한문희∙정성희1∙이창우 한국원자력연구원 원자력환경안전연구센터 1한국원자력연구원 동위원소이용연구센터Real-Time Evaluation of the Emergency Preparedness Models
for Nuclear Accident
Kyung Suk Suh*, Moon Hee Han, Sung Hee Jung1and Chang Woo Lee
Nuclear Environmental Safety Research Center, Korea Atomic Energy Research Institute, P. O. Box 105, Yuseong, Daejeon 305-600, Korea
1Radioisotope Research and Development Center, Korea Atomic Energy Research Institute, P. O. Box 105, Yuseong, Daejeon 305-600, Korea
Abstract -- After the Chernobyl accident caused the atmospheric release of radioactive materials that contaminated most of the European territory, the importance of supporting the decisional process in emergency conditions with reliable long-range dispersion models was understood. The results of long-range dispersion models would differ because of the differences in the characteris-tics of models. ENSEMBLE was set out to addresses the harmonization and coherence issues for emergency management and decision making in relation to long-range atmospheric dispersion modelling. ENSEMBLE features a true real-time web based and user friendly decision support system for a long-range dispersion data exchange and a model evaluation. KAERI joined the comparison study for the exercise 901-001 scenario in ENSEMBLE.
Key words : Chernobyl accident, Decision making, ENSEMBLE
* Corresponding author: Kyung Suk Suh, Tel. +82-42-868-4788, Fax. +82-42-868-8943, E-mail. [email protected]
계산결과는 상이한 형태를 나타내고 있다. 이러한 모델 간의 불확실성을 최소화하고 모델 간 상호비교를 통하 여 모델의 신뢰성을 향상시키려는 연구가 최근에 활발 히 이루어지고 있다. 인터넷의 발달에 따라 처음으로 시 도된 실시간 모델간 비교 연구는 RTMOD (Bellasio et al.
1999)로 주어진 web server 상에 참가 모델의 계산결과
를 등재하면 통계분석에 의해 모델간의 계산결과를 상 호 비교하는 연구였다. 이후 RTMOD를 더 발전시켜 유 럽 공동체의 주관 하에 ENSEMBLE 프로젝트 (Mikkel-sen et al. 2003)를 결성하여 현재 운영중에 있다.
ENSE-MBLE은 원전 비상시 대기중으로 방출된 방사성물질의 장거리 거동 평가를 비상대응 차원에서 상호 비교하는 국제 프로젝트이다. 우리나라도 2006년에 ENSEMBLE 에 참여하여 모델코드 KR1, 모델넘버 53을 할당받아 excercise 901-001 시나리오 모사에 참가하고 있다. 본 연 구에서는 장거리 대기확산모델의 실시간 비교평가 프로 젝트인 ENSEMBLE에 대한 특성과 우리나라에서 개발 되어 이 프로젝트에 참가하고 있는 LADAS의 개요 및 타 모델과의 비교 결과에 대해 기술하고자 한다.
ENSEMBLE
개요
ENSEMBLE (Mikkelsen et al. 2003)은 원전 비상시 대 기 중으로 방출된 방사성물질의 장거리 거동 평가를 비 상대응 차원에서 상호 비교하는 국제 프로젝트이다. ENSEMBLE은 1994년 ETEX 실험 (EC 1998)결과를 이 용한 장거리 대기확산모델의 상호평가 결과 서로 다른 결과를 제시함으로써 야기된 문제를 최소화시키기 위해 web 기반상에서 결성된 국제 프로젝트이다. 시나리오 선 정 후 각 시나리오에 대한 계산을 수행한 후 이들 결과 를 ENSEMBLE web 상에 제출하면 제출된 결과들을 통 계분석에 의하여 상호 비교 평가하여 각 모델간의 차이 및 변수들의 불확실도를 최소화 하는 것이다. ENSEMBLE은 현재 22개국 25개의 수치모델이 참가 하여 web base상의 시나리오 선정에 대한 계산결과를 실시간으로 Internet을 통해 ENSEMBLE web site에 등
재하고 등재된 결과는 그래픽, 통계분석 등을 통하여 상 호 평가하는 작업이 수행중이다. 한국원자력연구원에서 는 2006년에 ENSEMBLE에 참여하여 모델코드 KR1, 모델넘버 53을 할당받아 excercise 901-001 시나리오에 대한 결과 모사에 참가하고 있다. ENSEMBLE에 참가하 고 있는 모델넘버, 참여기관 및 모델이름에 대한 표시를 Table 1에 나타내었다. ENSEMBLE내 원전 사고를 가정 한 실시간 평가를 위한 시나리오의 지역은 유럽의 영역 으로 선정하였는데, 시나리오의 계산 영역은 15�W~ 60�E, 30�N~75�N 이다. 또한 방출정보, 시작시간, 계산 시간 등을 제공하고 참가 모델은 이러한 정보를 이용하 여 60 시간의 계산을 수행한 후 web server상에 실시간 으로 결과를 제출한다. web 상에 제출하는 계산결과는 ENSEMBLE에서 제시한 표준 형태 즉, 5개의 수직높 이 (0, 200, 500, 1,300, 3,000 m)에서의 시간별 농도분포, 지표면에서의 시간 적분된 농도분포, 시간별 건∙습식 농도 및 강수량 자료 들이다. web server 상에 제출된 참 가 모델의 결과는 그래픽 출력 및 통계 분석에 의하여 상호 비교된다. 이러한 시스템은 실시간으로 결과를 제 출함으로써 빠르게 비교되고, 참가 모델의 결과가 타 모 델과 상이하게 다른 경우 모델 변수의 변화나 분해능이 높은 기상 예보자료의 이용 등을 통한 재계산을 수행하 여 결과를 upload 시킬 수 있다. 현재 이 프로젝트에서
수행중인 25개의 시나리오에 대한 case number를 Table 2에 나타내었다. ENSEMBLE의 시나리오 선택 및 자료의 upload 방법 은 web에서 지시하는 절차에 따라 간단하게 수행될 수 있도록 구성되어져 있다. 시나리오 번호를 선택하면 closed된 것과 open된 것의 시나리오의 현 상태가 나타 나고 open된 시나리오 상에서만 자료의 제출과 upload 가 가능하다. 제출 가능한 자료의 형태는 시나리오 영역 내 영의 값을 포함하는 농도 자료로 계산영역이 다른 경우 오류가 발생하여 web server의 접근이 불가능하도 록 설계되었다. 계산결과를 제출하면 모델의 고유번호가 화면상에 나타나고 이들을 선택하여 모델 간 비교결과 를 볼 수 있다. 계산결과의 해석방법은 일정 시간대에 지점 간 농도 값을 비교하는 space analysis, 어떤 지점에 서 시간의 변화에 따른 농도 값을 비교하는 time analy-sis, 시∙공간상에서 전체 격자 점에서의 농도 값을 비교 하는 global analysis 등이 있다. 이러한 해석 방법에 대한 예시를 Table 3에 나타내었다.
LADAS
개요
ENSEMBLE에 참가한 LADAS는 가상의 입자(particle)
Table 2. Case information in ENSEMBLE.
를 대기 중으로 방출하여 그 궤적을 추척함으로써 농도 분포를 계산하는 Lagrangian 모델의 이론을 근간으로 하 고 있다. Lagrangian 입자추적 모델을 이용한 3차원 공간 에서 입자는 평균풍에 의한 이류(advection)와 난류에 의 한 확산(turbulence)으로 주어진 시간간격 동안에 초기위 치에서 다음 위치로 이동한다. 따라서 공간에 대한 변위 는 이류와 난류에 의한 변위의 합으로써 표시된다. 초기 시간에서 어떤 시간간격 동안에 입자의 변위 Xj(j==x, y, z)는 다음과 같다. Xj(t++∆t)==Xj(t)++vj(t)∆t++~vj(t)∆t (1) 윗 식에서 vj는 평균 바람장 (j==x, y, z) v~j는 바람의 난 류성분이다. Monte Carlo 기법을 이용한 장거리 확산모 델에서는 난류성분의 모수화를 계산영역의 전체 수직 높이에 대하여 동일하게 취하거나 혼합층 (mixing layer) 내와 혼합층 위로 나누어 다른 계산식을 이용한다. 식(1) 에서 바람의 수평 난류성분은 다음과 같이 표시된다. vj ~(t)∆t== 2K j∆t R (2) 윗 식에서 v~j(j==x, y)는 바람의 수평 난류성분, Kj는 수 평 확산계수이고 R은 Gaussian 분포를 갖는 random nu-mber로 0에서 1사이의 값을 갖는다. Lagrangian 입자추 적 모델로부터 대기중 농도를 계산하는 방법은 계산영 역에 대해 구성된 격자망내의 입자의 수로써 구할 수 있는데, 각 입자는 질량이나 특정 오염물 단위를 갖고 있다. Np C (x, y, z)== mmmmmmmm (3) ∆x∆y∆z 윗 식에서 ∆x, ∆y, ∆z는 x, y, z 방향의 격자 크기, Np는 격자내 들어온 전체 입자의 개수이다. 대기 중에서 제거 과정은 건∙습식 침적 및 방사성 붕괴를 고려할 수 있 는데, 건∙침적 속도에 의해 공기 중에서 지표면으로 침 적되는 농도는 다음과 같다. -vd∆t C (t++∆t)dry==C (t)
[
1-exp·mmmmmmmm‚]
(4) hpbl 습 침적은 강우율에 좌우되며 건∙침적에 비하여 단 순하게 모사가 가능하며 Scavenging 상수 Λ를 이용하는 방법이 널리 활용된다. Λ는 강우율에 따라 다음과 같은 식으로 표시할 수 있다. Λ==CRα (5) 여기서 α는 상수 값이고, 상수 C는 기상조건이 안정 한 경우에는 10-4, 불안정한 경우에는 10-3값을 갖고, R 은 강우율 [mm∙hr-1]을 나타낸다. 습 침적에 의해 공기중에서 지표면으로 침적되는 농도는 다음과 같다. C (t++∆t)wet==C (t)[1-exp (mΛ∆t)] (6) 대기로 방출된 오염물질이 방사성 물질이라면 대기 중 오염물 제거 항으로 다음과 같은 방사성물질의 붕괴 항을 고려하여야 한다. C (t++∆t)decay==C (t)[1-exp (mλ∆t)] ln 2 λ==mmmmm (7) T1/2 윗 식에서 T1/2는 방사성 물질의 반감기이다. 모델 계산에 중요한 영향을 주는 변수중 하나인 혼합 고의 산정은 마찰속도와 온위자료를 이용하여 Monin-Obukhov 특성길이를 산정하고 이를 이용하여 Richard-son number를 계산하여 이 기준에 따라 혼합층 높이를
계산하도록 모듈을 설계하였다(Vogelezang and Holtsalg 1996). 계산 식은 다음의 Richardson number가 0.25를 넘지 않는 높이를 혼합층의 높이로 산정하였다. (g/θvs)(θvh-θus)(h-zs) Rih== mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm (8) (uh-us)2++(vh-vs)2++100u2* 윗 식에서θvs및θvh는 표면 및 어떤 높이에서의 가상
온위 (virtual potential temperature), us, uh, vs, vh는 표면 및
어떤 높이에서의 수평 풍속, u*는 마찰속도이다.
LADAS
와 타 모델과의 비교 결과
LADAS는 모델코드 KR1, 모델넘버 53을 할당받아 excercise 901-001 시나리오에 대한 결과 모사에 참가하 고 있다. exercise 901-001은 1994년 유럽에서 수행한 ETEX 1의 실험결과를 상호 비교하는 것으로 모델의 영 역은 15�W~60�E, 30�N~75�N의 영역에서 격자 간격 은 0.5�이고 지표면에서부터 총 5개의 수직 level을 분 할하고 있다. 이러한 영역 및 수평∙수직 간격은 ENSEMBLE에서 제시한 자료와 일치해야만 Web 상에 제출 가능하다. 계산된 농도는 3시간 간격으로 5개 수직 level의 농도, 건∙습식 침적 농도 및 강수량 자료를 제 출한다. 계산결과는 각 국에 할당된 모델코드 간 상호 비교할 수 있도록 web 상에서 구성되었다. 비교는 그래 픽 해석과 통계분석 방법이 이용되었는데, 통계분석에 이용된 자료는 NMSE (Normalized Mean Square Error), Bias, RMSE (Root Mean Square Error), FB (Fraction Bias), FA2 (Factor of two), FA5 (Factor of five)로 그 정의는 다음과 같다. 1 (Ci-Oi)2 1 NMSE==mm∑mmmmmmmm , RMSE== mm∑ i(C i-Oi)2 N i C mm -Omm N 1 1 (Cmm-Omm) Bias==mm∑(Ci-Oi) , FB==mm mmmmmmmm N i 2 (Cmm++Omm) , 1 1 C mm = =mm∑Ci , Omm==mm∑Oi N i N i No. of FAA2 1 O FA2==mmmmmmmmmmm×100 ·mm‹FAA2·==mm‚‹2‚ N 2 C No. of FAA5 1 O FA5==mmmmmmmmmmm×100 ·mm‹FAA5·==mm‚‹5‚ N 5 C (9) 윗 식에서 N은 자료의 개수, C는 계산 값, O는 관측 값이다. LADAS를 이용하여 excercise 901-001 시나리오 모사 를 위하여 ECMWF(European Center for Medium-Range
Weather Forecast)의 기상자료를 전처리하여 기본 입력 자료로 사용하였다. ECMWF(Gibbson et al. 1997)는 기 상자료를 GRIB의 형태로 제공하는데 GRIB는 자료의 저장공간을 효율적인 형태로 제공하는 WMO의 표준 자 료 형식이다. GRIB는 자료의 저장공간을 효율적으로 관 리할 수 있는 binary 형태이며 모든 종류의 컴퓨터와 O/S에서 decoding하여 사용할 수 있다. 현재 ECMWF에 서는 operational model, ERA-15 및 ERA-40의 3개의 모 델로부터 기상자료를 산출하여 제공하고 있다. Excercise
901-001 시나리오 모사를 위하여 GRIB의 형태로 된
ECMWF의 ERA-40의 수치 기상예보 자료와 decoding
software인 GRIBEX decoding software를 이용하여 GRIB 형태의 기상자료를 ASCII 형태의 자료로 변환하였다.
이 시나리오에 의해 계산된 KR1 (LADAS)과 JP1
(WSPEEDI)의 지표면에서의 농도분포 비교 결과를 Fig.
1에 KR1 (LADAS)와 DK1 (RODOS)의 비교결과를 Fig.
2에 나타내었다. 우리나라의 KR1 (LADAS)과 일본의
JP1 (WSPEEDI)의 농도에 대한 scatter 그래프와 KR1 (LADAS)와 DK1 (RODOS)의 scatter 그래프의 비교결과 를 Fig. 3 및 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 3과 Fig. 4에서 x 축은 JP1과 DK1의 계산결과이고 y축은 KR1의 계산결 과이다. 비교 결과 LADAS는 WSPEEDI와 RODOS의 계산결과 잘 일치하는 것으로 제시되었다. Fig. 3에서 상 호 비교결과 FA2는 12.72%, FA5는 30.53%로 제시되고 있어 LADAS와 WSPEEDI의 계산결과는 서로 유사하게 나타나고 있다.
Fig. 1. Comparative results of averaged concentration between KR1 and JP1.
Fig. 3. Scatter plots of averaged concentration between KR1 and JP1.
결
론
원전 사고를 대비한 비상대응 시스템 운영의 중요 모 듈인 장거리 대기확산 모델 간의 불확실성을 최소화하고 비상대응 시스템의 정확도를 향상시키기 위한 ENSEM-BLE 국제 공동연구가 진행 중에 있다. ENSEMBLE은 22개 나라에서 참여하여 web server를 이용한 원격 조정 에 의해 실시간으로 계산 결과를 제출한다. 우리나라는 2006년에 이 프로젝트에 참가하여 다른 모델의 계산결 과와 상호 비교하는 연구를 수행 중이며, 앞으로도 여러 대응 시나리오에 참가하여 활발한 연구 활동을 전개할 예정이다. 특히 LADAS는 일본의 WSPEEDI와 유럽 공 동체의 RODOS와의 비교 결과 서로 잘 일치하는 것으 로 나타났다. ENSEMBLE은 현재는 장거리 대기확산 모 델의 결과만을 제출하여 비교하고 있는데, 추후에 이러 한 예측 자료를 이용하여 실제 비상대응 행위를 결정할 비상 대응 결정론자들이 참가하여 ENSEMBLE의 실시 간 비상대응 행위를 수행할 예정이다.사
사
본 연구는 과학기술부에서 시행하는 원자력중장기 연 구개발사업의 지원으로 수행되었습니다.참 고 문 헌
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Manuscript Received: June 22, 2007 Revision Accepted: July 27, 2007
