서
론
우리나라의 원자력발전소는 대용량의 냉각수 확보를 위하여 해안가에 위치하고 있다. 원전에서는 정상시에 액체상 방류물을 인근 연안역으로 방출하고 있는데, 이 는 법적 제한치 이하의 양으로 주기적인 분석과 감시를 통해 그 안전성을 확보하고 있다(윤 2009). 그러나 원전 시설의 비상시나 주변 해역에서의 오염 사고시 오염물은 연안역으로 이동하여 연안역을 오염시키게 된다. 연안으 로 침투한 오염물은 해수에 의한 이류, 난류 확산, 침강, 흡착, 탈착 및 재부유 과정 등을 통해 근해역과 원해역 으로 이동하게 된다. 따라서 산업시설 주변 연안의 오염 물 이동 해석을 위해 오염물의 시∙공간적 농도 분포를 추정하는 것은 중요한 요소이다 (Du et al. 2010; Whitall et al. 2010). 우리나라의 원전이 위치한 동해역에서 원전 건설에 따른 환경영향 평가측면에서 해양조사는 폭 넓 게 이루어졌고, 최근에는 액체 방사성 유출물의 확산평 가 측면에서 일련의 연구가 수행되었다 (전력연구원 2006). 이러한 연구는 주로 기본적 해양 물리자료의 관측 과 수치모델을 이용한 확산특성 평가에 국한된 것으로 수립된 확산모델의 검증 연구는 수행된 바 없다. ─ ─ 391 ──Geon Hyeong Park, Ki Chul Kim, Sung Hee Jung1and Kyung Suk Suh* Nuclear Environmental Safety Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute,
Daejeon 305-353, Korea
1Radioisotope Research and Development Division, Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon 305-353, Korea
Abstract-- The characteristics for pollutant transport in tidal influenced area was investigated using tidal wave hydraulic scale model. Hydraulic scale model was composed of the tidal generator, atte-nuation area and channel. Also, wave height, current meter and conductivity meter were used with the measured instruments in hydraulic scale model. NaCl with a tracer was used to evaluate the advection phenomena under the different velocity profiles. The arrival time of the maximum con-centration in the condition of the relatively fast velocity was measured about 30 seconds faster than ones in the conditions of low velocity. The measured concentrations of the tracer were shown in the detection points of the flow direction consecutively.
Key words : Hydraulic scale model, Tidal wave, Tracer
* Corresponding author: Kyung Suk Suh, Tel. +82-42-868-4788, Fax. +82-42-868-8943, E-mail. [email protected]
본 연구에서는 연안역에 유입된 오염물의 이동에 주로 영향을 주는 조석파에 의해 오염물의 이류∙확산특성을 파악하기 위해 조파수리모형장치를 제작하여 조석파의 변화에 대한 오염물의 변화현상을 해석하였다. 실제 조 석파의 재현을 위한 조석발생장치, 파의 감쇄대, 주기 조 절 장치를 포함한 모형장치를 이용하여 NaCl을 추적자 로 활용하여 실험을 수행하였다.
모형장치의 제작 및 구성
연안역의 조석파에 의한 오염물의 이동특성 파악을 위 하여 실내 조파모형장치를 제작하였다. 모형장치는 조파 발생장치, 수로부, 유입저수조, 배출저수조, 감쇄역 등으로 구성되었다. 기존의 조파발생장치는 수평 피스톤 왕복운 동을 이용하여 파를 생성함으로써 파의 주기를 맞추는 데 어려움이 있고, 규칙파의 생성을 위해 수로의 길이가 길어지는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 본 연구에서 는 기존의 피스톤 형식에서 디스크 형식의 발생장치를 제작하여 조파 발생장치 판의 중심축 및 회전축을 조절 하여 파의 주기를 용이하게 조정하도록 하였다. Fig. 1에 조파 발생장치를 나타내었다. 발생된 조석파는 수로부를 따라 진행하며 반대편의 부분에 도착하여 파의 반사 및 증폭이 발생하게 된다. 이러한 파의 반사 및 증폭을 최소 화하기 위해 조석 발생장치의 반대 부분에 감쇄역을 설 치하여 조석파의 주기가 일정하게 유지하도록 하였다 (Fig. 2). 파의 유속 조절을 위하여 물의 유입부와 유출부 에 인버터 펌프를 설치하여 유량 조정을 통하여 유속 변 화를 주었다. 조석파 발생전 유입부와 유출부에 설치된 펌프를 통하 여 유량을 조정하여 정지수면을 유지하였고, 파고계를 이용하여 일정 수위가 지속적으로 유지되도록 하였다. 실험에 이용된 파고계는 물의 수직높이 변화를 감지하는 검출부, 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 변환부 및 직류 증폭부로 구성되어져 있다 (화선상사 2010). 조파수 로에서 측정된 파고는 NI 보드와 RS-232 케이블을 통해 연결된 컴퓨터로 전송되어 화면에 display되고 그 측정 값을 저장한다(NI 2009). 실험에 이용한 파고계와 데이터 전송장치를 Fig. 3과 4에 나타내었다.Fig. 1. Layout of the tide generator.
Fig. 2. Layout of the attenuation area.
조파수로내 조석파에 의한 오염물 이동특성을 이해하 기 위한 추적자로 NaCl을 사용하였다. 추적자의 계측을 위하여 conductivity meter를 이용하여 시간에 따른 NaCl 추적자의 농도를 계측하였다. 실험에 사용된 conductivity meter를 Fig. 5에 나타내었고 (Elmeiron 2010), 조파실험 장치내 계측기 및 파고계 설치 모습을 Fig. 6에 나타내 에서 생성되는 파의 주기는 2.09초로 이는 Froude 상사 법칙의 시간비 상사법칙 Tr== Lr을 적용하여 조석의 주 기를 생성하였다. 여기서 Tr은 시간비, Lr은 축척비이다 (Saul 1994).
조파역내 오염물 이동 모사 실험 및 분석
조석파 유속의 변화에 대한 오염물의 이동특성을 해석 하고자 조파수로 모형장치내 유속의 변화를 주어 추적자 실험을 수행하였다. 유속은 전자식 유속 측정계 AEM-1D (Alec 2007)를 이용하여 15분 평균 유속을 측정하였 다. 추적자의 방출은 쇄파대 부근에서 NaCl을 189 mg 방 출하였고, 방출점 중심 방향의 파 진행방향으로 5개의 conductivity meter를 설치하여 추적자 농도를 계측하였 다. 본 실험에서 사용한 조파수로, 감쇄대, 조파발생장치, 방출점 및 계측기 설치 위치에 대한 모식도를 Fig. 7에 나타내었다. 유속의 조절은 조파 수로장치 유입구 및 배 출구에 연결된 펌프의 용량을 조절하여 0.2 m s-1와 0.35 m s-1의 유속을 발생시켰다. 2개 조건에서 실험한 조석파 주기는 2.09초이고 파고는 3 cm로 측정되었다 (Fig. 8). Fig. 7의 계측기 설치 위치에 대한 모식도와 같이 살펴 보면 계측점 1번을 P1으로, 계측점 5번을 P5로 나타낸 유속의 변화에 대해 관측된 추적자의 농도분포를 Fig. 9 와 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 9와 Fig. 10을 비교하여 보면 추적자의 방출점으로 부터 유속의 진행방향으로 추적자가 진행되어 감을 알 수 있는데 유속이 빠른 경우가 유속이 느린 경우에 비해 이류효과에 의해 최대농도의 도달시간이 빠르게 나타나 고 있다. 계측점 1번 및 2번의 경우 상대적으로 유속이 빠른 (0.35 m s-1) 경우 유속이 느린 (0.2 m s-1) 경우에 비 해 최대농도가 약 30초 정도 빠르게 도달하고 있다. 계 측된 NaCl의 농도분포는 시간에 따른 농도의 적은 폭의Fig. 5. Conductivity meter.
승강이 나타내는데, 이는 조석파의 주기에 의한 승강운 동을 나타내고 있다. 계측점 5번은 조파 발생장치에 가 까운 지점으로 발생장치의 영향으로 계측기의 농도가 더 디게 감소하는 경향을 보이고 있다. NaCl을 추적자로 이 용하여 조석파의 변화에 대한 오염물 이동현상을 실험 해석한 바 난류확산보다는 유속에 의한 이류 효과가 지 배적이며, 실제 원전이 위치한 해역에서 오염물이 유역 에 방출된 경우 이류에 의해 오염물이 외해로 이동될 것 을 추정할 수 있다.
Fig. 8. Wave period and heights.
Fig. 9. Measured concentrations of tracer in v==0.2 m s-1.
Wave height (mm) 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 Time (Sec) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 NaCl tracer (0.2 m s-1) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 Time (Sec) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 NaCl (mg l -1) 600
Fig. 10. Measured concentrations of tracer in v==0.35 m s-1.
NaCl tracer (0.35 m s-1) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 Time (Sec) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 NaCl (mg l -1) 600 P1 P2 P3 P4 P5 P1 P2 P3 P4 P5
2005), 빠른 조석파에 의해 방출점으로부터 빠르게 외해 로 이동할 수 있음을 추론할 수 있다. 본 연구에서 사용 된 NaCl은 일반 물과의 밀도차에 의해 추적자 투입점에 서 주로 바닥방향을 통해 이동함으로써 conductivity를 바닥에 설치해야 하는 단점이 있었다. 향후 이러한 문제 점을 극복하고 수심 평균된 흐름인 조석파에 의한 영향 을 해석하기 위해 투입점 및 계측기를 수심방향의 중간 지점에서 사용할 수 있는 동위원소 추적자를 사용할 계 획이다.
사
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본 연구는 교육과학기술부에서 시행하는 원자력연구 개발사업의 지원으로 수행되었습니다. Manual.National Instrument. 2009. NI USB-6210 User’s Manual. Perianez P. 2005. Modelling the dispersion of radionuclides in
the marine environment: An introduction. Springer. Saul AJ. 1994. 2nd international conference on hydraulic
mo-delling. 559pp. Mechanical Engineering Publication Ltd., London.
Whitall D, Dean Hively W, Andrew KL, Cathleen JH, Laura LM, Fisher T, Clifford PR, Codling E, Gregory WM, Ali MS, Gustafson A and Bialek K. 2010. Pollutant fate and spatio-temporal variability in the choptank river estuary: Factors influencing water quality. J. of Total Environ. 408:2096-2108.
Manuscript Received: September 1, 2010 Revision Accepted: September 14, 2010
