Advancement of Regulatory Atmospheric Dispersion Model for Nuclear Power Plants

Abstract

연구로와 소형 원전은 시설 규모가 작아 기존 원전에 비해 제한구역경계 거리를 짧게 설정할 수 있다. 단축된 경계거리에서 기체 방사성물질 방출에 따른 지표면에서의 농도를 평가하는데 있어서, 사업자는 지표면방출보다 고공방출 시나리오를 선호한다. 그러나 현행 규제지침에서 정하는 대기확산평가 모델은 고공방출 및 복잡 지형에 대한 평가에는 부적합하다는 지적이 있었고, 관련된 국내 적용 사례도 부족한 상황이다. 향후 규제 혼선을 방지하기 위해서는 현행 대기확산평가 방식에 대한 정비와 신규 모델로의 채용 가능성에 대한 검토가 필요하다. 본 연구는, 현행 대기확산평가 모델을 검증하여 개선 사항의 도출과 방안을 제시하는데 목적이 있다. 현행 대기확산평가 모델의 분석을 위해 XOQDOQ에 기반한 평가 코드를 작성하였다. 일정한 수평 방향의 플룸 이동만을 가정했던 기존 코드와는 달리, 플룸 중심선의 높이가 대기안정도와 지형 고도를 반영하여 재조정될 수 있도록 하는 모듈을 추가하였다. 침적인자 계산 시에는 상대 침적률 함수를 적용하는 대신, 부지 기상 인자로부터 침적 속도를 산정함으로써 대기확산인자와 침적인자가 연계되도록 하였다. 예비 평가는 월성과 고리 부지를 대상으로 2016-2018년의 기상자료에 근거하여 수행하였다. 재순환 인자의 적용과 풍속 측정 고도의 보정 방식에 따라 대기확산인자가 변화하는 경향을 확인하고, 혼합방출을 가정했을 때의 결과를 고공방출 시 결과와 비교하였다. 고공방출 시 지형 고도를 반영할 경우, 대기확산인자의 최댓값이 증가하고 최댓값 지점은 지형 고도가 높은 지점으로 이동하였다. 혼합방출 상황에서 300 m 지점의 대기확산인자 최댓값은 고공방출 시의 최댓값들보다 항상 더 큼을 확인하였다. 환경영향평가 목적의 대기확산평가 모델인 AERMOD와의 비교 분석을 수행하였다. AERMOD 입력 인자 계산을 위해 원전 부지에서 측정된 기상자료와 기상청이 제공하는 지상 및 고공에서 관측한 기상자료를 결합하는 전처리 코드를 작성하였다. 지형 고도를 반영하지 않았을 때 XOQDOQ와 AERMOD 두 모델의 평가 결과가 큰 차이를 보이지 않았으나 지형 고도를 반영한 결과 XOQDOQ 평가치가 최댓값 기준 약 8배에서 27배까지 증가한 반면, AERMOD 평가치의 증가폭은 약 2배 이내로 제한되었다. 지형 정보를 반영하여 플룸 높이를 조정한 경우에는 XOQDOQ 평가치의 증가폭이 약 4배 이내로 제한되었고, 최대 지점이 형성되는 위치도 AERMOD 평가치에 근접함을 확인하였다. 새로 정비한 대기확산평가 모델에 대한 검증을 위해, 대기오염물질 확산을 평가하고 장기간 국내 대기오염 모니터링 자료와 비교하였다. 관찰 지점에서 측정된 대기오염물질의 1시간 평균 농도 자료로부터 도출한 연간 농도 분포를 기준으로 비교한 결과, 현행 대기확산모델은 풍향 발생 빈도가 큰 주풍향 지점에 대해서는 2배 이내 범위 결과를 산출하였다. 모델의 과대/과소 예측과 관련한 특이성은 없었으나, 몇 개 관찰 지점에서는 지형 고도의 반영에 의해 오염도가 높게 평가됨을 확인하였다. 정확한 방출 위치와 지형 고도 값의 불확실성과 연간 방출량이 일정하다는 가정으로 전산 모사가 수행되었다는 점에서 본 검증은 한계를 갖는다. 본 연구를 통해 첫째, 현행 규제지침이 제시하는 바의 고공방출 및 지형 고도 반영 방법에 따라 대기확산 평가를 실시하였다. 국내 적용 사례가 드물었던 고공방출 상황에 대해 모델 요소 분석을 수행하였고, 지형 고도 반영에 의한 확산 분포의 변화를 확인하였다. 향후 고공방출 방식의 채용 여부를 결정하는데 참고가 될 수 있으리라고 생각된다. 둘째, 현행 대기확산 모델에 대한 다각도의 평가 즉, 모델 간 비교, 민감도 분석, 장기간 검증 등을 수행하였다. 대기오염물질의 환경 영향 평가를 목적으로 개발된 확산 평가 모델과 비교할 때, 지형 고도를 반영하지 않을 경우 두 모델의 확산 농도 계산 결과가 작은 차이를 보이고, 지형 고도를 반영할 경우에는 현행 모델에 기반한 확산농도 평가치가 큼을 확인하였다.

Nuclear reactors with smaller capacities than conventional power reactors, such as research reactors and small modular reactors, can designate shorter boundaries for exclusion areas. For the shortened boundary distances, elevated release is preferred to ground release since the radionuclides emitted from tall stacks are diluted until dispersed to the ground surface. Previous studies have pointed out the limitations of the current dispersion model for elevated release when combined with complex terrain conditions. To minimize regulatory confusions, substitution for a newer enhanced model should be considered. This research aims to evaluate the current model and draw out possible improvements. To analyze the major components of the model, an atmospheric dispersion code based on XOQDOQ was written. Instead of horizontal transport of plumes, an adjusted plume height approach to simulate a plume centerline that responds to terrain heights and atmospheric stabilities was added. Instead of using the relative deposition rate function, site-specific deposition velocities were derived to calculate the deposition factor. Preliminary assessments were carried out assuming routine elevated release at Wolsong and Kori sites between 2016 and 2018. The effects of correction factors for recirculation and wind speeds were analyzed, and mixed release cases were compared to the elevated release cases. Maximum dispersion factors from the elevated release increased with terrain heights, and the maximum points moved to elevated locations. Under mixed release conditions, the maximum dispersion factor at 300 m exceeded the maximum values under elevated release conditions. The modeling results were then compared with AERMOD, a reference model for environmental impact assessment. A set of meteorological preprocessing codes was developed so that the on-site measurements can be combined with the surface and upper-air data from the weather stations. Without terrain elevation, the difference between the models was minimal, but when terrain elevation was considered, the maximum dispersion factor from XOQDOQ was increased by eight to twenty-seven times, while in AERMOD, the increment was less than two times compared to the no terrain case. When plume heights were adjusted, the increments were less than four times the base case and the maximum locations shifted closer to the AERMOD cases. To evaluate the dispersion model, the predicted concentrations of air pollutants were compared with the observed concentrations obtained from air monitors in the region. Compared to the annual distribution of 1-hour averaged concentrations, the current dispersion model performed well for the prevailing wind directions within the factor of 2 ranges. The model results fluctuated between over and underprediction, while for several receptors, the terrain elevation reinforced the overprediction by the model. The validation is limited due to severe uncertainties in the source locations, release heights, and emission rates. In this research, the dispersion modeling for elevated release with complex terrain conditions was performed. As there have been few domestic cases that assumed elevated release, the components of the model and the changes in dispersion pattern due to terrain heights were thoroughly reviewed. This research can be used as a reference in determining the employability of elevated releases. Secondly, the current dispersion model was evaluated with various approaches such as model intercomparison, sensitivity analysis, and long-term validation. It was confirmed that the discrepancies between the models were minimal without terrain elevation, but the current model can lead to higher concentrations when terrain elevation is factored in.