Recently, some countries in the Middle East show high interest in nuclear energy reflecting the de-mand of electricity followed by their economic growth and their aspiration to alternate the fossil energy to other clean and sustainable energy. Nuclear power plant is in operation in Bushehr of Iran and under construction in Barakah of United Arab Emirates as the first step of nuclear power in the Middle East. To guarantee the safety of nuclear energy is the first fundamental term for maintaining it as a sustainable energy source. The importance of the environmental impact assessment of nuclear power plant and probabilistic risk assessment of nuclear power plant is highly increased after the Fukushima accident. And the atmospheric dispersion is one of the most important transport pathways of radionuclides in the environment. Hence, characterising specific characteristics of the atmospheric dispersion of radionuclides in desert environment becomes necessary. Desert environment of the Middle East may differ considerably from other environments usually nuclear power plants existed, furthermore, Arabian Gulf region is not a safe area from earthquake, especially, Iran is one of the most seismically active countries in the world.
Several factors influencing the atmospheric dispersion in desert environment have been categorised as surface characteristics, atmospheric characteristics and climate condition by carrying out conceptual model-ling. Low surface roughness, low precipitation, and resuspension on the arid sand surface were chosen as the characteristics for the investigation by screening work.
Sensitivity analysis of ground surface roughness has been carried out to evaluate the influence of the characteristics of desert such as land of arid sand, low land use, and relatively simple terrain under the condi-tion of intense solar radiation, hence high temperature. Ground surface roughness was found to be highly affecting factor to atmospheric dispersion. The ground level concentration of radionuclide appears higher in desert environment than other environments such as forest and urban area because of lower turbulent diffusion related with lower surface roughness length of desert. However, if we assume the elevated source, lower ground level concentration in short range from the source could appear in desert environment. It is because elevated source can reach to the ground more efficiently by turbulent diffusion in the environment having higher roughness length. However, higher ground level concentration appears in desert environment again in long range though elevated source is considered.
The influence of precipitation to the plume concentration is sensitive to adopted washout coefficient. Despite conservative washout coefficient was chosen, it could not be said to affect much when compared to the influence of surface roughness length. Both dry and wet deposition are expected to be lower than those of other environments due to lower surface roughness length and lower precipitation in desert respectively. It means that the depletion of plume concentration is relatively weak in desert environment.
The inhalation of resuspended radioactive material is important for the alpha-emitting transuranic elements such as Pu-239 rather than fission products such as Cs-137. However, regardless of the kind of iso-topes, the influence of resuspension inhalation is very low when it is compared to cloud inhalation. All exist-ing models are empirical or semi-empirical model, so the effort to develop theoretical model based on the understanding of the resuspension phenomena is necessary for further detailed investigation.
Applying the knowledge and understanding of the atmospheric dispersion characteristics in desert en-vironment obtained from previous research, practical computational assessments were carried out. Modelling of atmospheric dispersion in Arabian Gulf region has conducted using ADMS 5 code, assuming hypothetical Chernobyl or Fukushima accident in both Barakah of UAE and Bushehr of Iran. The result from the sensitivity analysis of surface roughness length was proven again in this analysis. In addition, preliminary Level-3 Probabilistic Risk Assessment to evaluate the safety of operating nuclear power plant in UAE has performed using WinMACCS code.
To support the modelling analysis, developing the experimental capability is important. Environmental radiation monitoring analysis capability has been developed in Khalifa University, UAE. The Environmental Radiation Laboratory is installing High Purity Germanium (HPGe) detectors for Gamma detection, low background Alpha / Beta gas flow proportional counter for Alpha / Beta detection, Liquid Scintillation Counter (LSC) for the analysis of Tritium and Carbon-14 and various kinds of portable detectors and every detectors are all set up with calibration and ready for conducting measurements. This experimental capability is expected to collaborate with further modelling analyses.
From the results of this research, it is recommend to be careful assuming the source released from the ground level because it is possible to bring very conservative ground level concentration in desert environment than other environments. And it is necessary to enhance the understanding about plume rise in various possible scenarios especially in desert environment because the ground level concentration in short range can show opposite tendency whether elevated source is considered or not. Finally, using a new generation Gaussi-an plume model based on similarity theory rather than Pasquill-Gifford stability class is recommended for the flexible and detailed application of influencing factors such as surface roughness length and for the increased credibility of the result in longer distance.
The results of this research have the meaning of establishing the framework for the assessment of at-mospheric dispersion of radionuclides in desert environment and it is expected to be a reference for further related researches.
경제 발달로 인하여 급격히 증가하는 전기 수요를 충당하고, 화석연료를 대체할 에너지원으로 중동지역에서 원자력 발전에 대한 관심이 급증하고 있다. 이란에서는 2012년 상업용 원자로 가동을 시작하였고, UAE 아부다비에는 대한민국에서 개발된 APR1400 노형의 원전이 건설되고 있다. 사우디아라비아 역시 원자력 발전을 준비하기 위해 K.A.CARE라는 국가 기관을 설립하였다. 현재까지 원자력 발전소가 위치하던 지역과는 확연히 다른 중동의 사막에 원자력 발전소가 생기고 있는 것이다. 2011년 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고 이후 원자력발전소의 환경 영향 평가의 중요성이 더욱 대두되었고 특히 방사성물질의 대표적 이동 경로인 대기 중에서의 방사성물질의 이동의 평가에 대한 중요성이 부각되었다. 그러던 중 2013년 이란에서 두 차례 강한 지진이 관측되었고 중동의 아라비아만과 오만만 인근 지역은 세계에서 가장 지진이 활발한 지역 중 하나라는 사실을 확인할 수 있었다. 지금까지 원자력 발전소가 존재하던 환경과 확연히 다른 사막 환경에서의 방사성 물질의 대기확산 특성을 파악하고 정리하는 작업이 의미가 있으리라 판단되었고 그것이 본 연구의 동기가 되었다.
개념 모델링을 통해 사막 환경에서의 대기확산 특성에 영향을 줄 수 있는 여러 가지 인자들이 표면 특성, 대기 특성, 기상 특성으로 분류되었고 그 중 평가질문에 전반적으로 부합하는 지표면의 낮은 표면 거칠기, 극히 낮은 강수량, 건조한 모래 바닥으로부터의 방사성 물질의 재부유가 조사 대상으로 선정되었다.
비교적 평탄하고, 초목이 자라지 않는 건조한 모래로 이루어진 사막 환경의 표면 거칠기는 다른 환경에 비해 매우 낮은 편이다. 이 낮은 표면 거칠기로 인하여 사막 환경에서는 상대적으로 난류에 의한 확산이 다른 환경에 비하여 작게 일어나고 지표면 근처 대기중의 방사성물질의 농도가 상대적으로 높게 나타남을 알 수 있었다. 그러나 지표면 높이에서의 선원 방출이 아닌, 높이를 갖는 선원 방출을 고려했을 땐 오히려 선원 근처의 짧은 거리에서 사막 환경의 방사성 물질의 지표면 근처 대기 중 농도가 낮게 나타날 수 있음을 알 수 있었다. 이는 사막 환경의 난류에 의한 확산이 다른 환경에 비해 상대적으로 낮다는 사실이 높이 있는 방사성물질을 지표면 근처까지 근거리에서 효율적으로 확산시키는데 불리하게 작용하기 때문이다. 그러나 원거리에서는 다시 사막 환경의 지표 근처 대기 중 농도가 도시, 숲, 농경지 등의 다른 환경보다 높게 나타남을 알 수 있었다.
강우에 의한 대기중의 방사성물질의 농도는 washout coefficient의 선정에 따라 민감하게 달라지지만, 기존 자료로부터 보수적인 상수를 적용하였을 때에도 표면 거칠기에 비해 큰 영향을 준다고 평가할 수 없었다. 상대적으로 사막 환경에서는 낮은 표면 거칠기로 인해 건성 침적이 낮고, 낮은 강수량으로 인해 습식 침적 역시 낮다. 이는 대기중의 방사성물질의 침적에 의한 고갈이 상대적으로 낮음을 의미하고 다른 환경에 비해 대기중 방사성물질의 농도가 높게 나타날 수 있음을 의미한다.
사막환경에서 바닥에 침적된 방사성물질의 재부유에 의한 호흡 피폭 영향은 Cs-137과 같은 핵분열생성물보다 Pu-239 같은 알파 붕괴를 하는 초우라늄 원소에서 더 고려해야 할 요소인 것으로 나타났다. 그러나 핵종에 상관없이 플룸이 지나갈 때 호흡하는 양에 비해서는 상대적으로 재부유 후 호흡에 인한 피폭 영향은 1/10 이하로 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 현존하는 모델들이 모두 경험적 모델이기 때문에 더욱 자세하고 정확한 분석을 위해서는 물리적 현상의 이해에 근간한 이론적 모델이 개발되어야 한다고 판단된다.
사막환경의 특성을 적용하여 선량 평가와 초기 수준의3단계 확률론적 안전성 평가가 수행되었다. 선량평가에서는 표면 거칠기에 대한 민감도 분석 결과가 틀리지 않았음이 증명되기도 하였다.
모델링 결과를 검증하기 위해서는 실험적 지원이 필수적인데 UAE 칼리파대학에 감마 선원의 계측을 위한 고순도 게르마늄 검출기, 전 알파/베타 검출기, 액체섬광계수기 등을 설치하고 실험적 검증의 역량을 구축하였다.
본 연구의 결과를 바탕으로 사막 환경에서는 지표면에서의 선원 방출을 가정할 시 굉장히 보수적인 결과를 초래할 수 있으므로 주의가 필요하다는 점, 근거리에서는 선원의 높이를 고려하느냐 하지 않느냐에 따라 반대의 경향이 나타날 수 있으므로 다양한 시나리오에서의 선원항의 높이에 관한 연구가 중요할 것이라는 점, 표면 거칠기 등의 인자를 유연하고 자세하게 적용 가능하며 장거리에서의 신뢰도가 향상된 similarity 이론을 적용한 신세대 가우시안 플룸 모델을 사용하는 것이 좋을 것이라는 점 등이 권고된다.
본 연구의 결과는 사막 환경의 방사성 물질의 대기확산 평가에 대한 framework를 구축한 의미를 지니며 추후 진행될 사막 환경의 대기확산 연구의 참고문헌으로서 활용가치가 있을 것으로 기대된다.
