This study presented two methodologies about meteorological characteristics analysis and atmosphere dispersion modeling as a preliminary study for the optimal positioning development of environmental radiation monitoring system (ERMS) and safe evacuation under emergency condition. These methodologies were applied to Barakah city area in the UAE, where the construction of four units of APR1400 (Advanced Power Reactor 1400) nuclear power plant by the year 2017 is planned.
The Weibull Probabilistic distribution function (PDF) was applied for the analysis of meteorological characteristics. The Weibull parameter results for the calculation of directional wind characteristics were determined using probabilistic distribution modeling in a preliminary study that evaluated for the position of ERMS in the Barakah nuclear power plant (BNPP) area. Using three-year-weather data modeling, the distribution frequency showed extreme discrepancies from the wind direction. North and west winds accounted for more than 90 % of the wind directions in the BNPP area. The Weibull parameters for wind direction, month, and season were estimated. The Weibull parameters c and k ranged from 6.74 to 10.67 and 3.01 to 7.41, respectively, when the calculation was carried out with wind direction statistics; however, k and c ranged from 2.28 to 7.55 and 6.56 to 11.24, respectively, when it was carried out with seasonal estimation. The minimum and maximum extreme directional wind speeds for return periods were estimated as 9.12 and 17.84 in the ENE and SSE directions, respectively, based on a 60-year return period.
As the second methodology, atmosphere dispersion modeling was performed by computational simulation using meteorological, land-use and upper air data. For the acquisition of credible simulation results, annual meteorological data were used in the simulation during January to December, 2011, at the area of the BNPP. North and west winds accounted for more than 90 % of the wind directions in the total meteorological data. The summer and winter seasons showed no seasonal effect or discrepancy of meteorological modeling results. However, the discrepancy of annual modeling results between the day and the night time was observed in this study. From this study, an obvious meteorological tendency of 2011 with atmospheric dispersion simulation was obtained for Barakah city area. Also, six cases of cesium-137 (^{137}Cs) release and dispersion were simulated using the assumption of a severe accident condition. Simulation results showed that the ^{137}Cs dispersion and accumulation in this simulation were strongly influenced by the main wind direction. A virtual receptor in the simulation was set and calculated for the observation of the ^{137}Cs movement and the tendency for the accumulation. Simulation results of surface roughness effect showed that the deposition of ^{137}Cs was affected by the surface condition.
The study results offer useful references as a first step to develop the optimal ERMS positioning around the site area and territory of nuclear power plant. The study results can be also used as important data for the planning of the safe evacuation under emergency condition and the assessment of environmental effects of new nuclear power plants.
원자력발전소(이하 원전)에서는 원전 및 원전 주변에 대한 방사능준위의 변동 및 장기거동, 사고 시 조기대응 등을 위해 환경방사능감시장비를 구축하여 운영하고 있다. 이러한 환경방사능감시장비는 특히, 방사능물질 유출사고 시에 방사능물질의 조기 감지를 통한 주민 소개 등을 위한 목적으로 방사능물질의 확산 및 거동이 예상되는 위치에 설치 및 운영이 되어야 한다. 그 동안 국내 원전에서는 실증적인 방법으로 원전 주변 경계를 따라 동일한 간격으로 10곳 내지 12곳을 선정(인구밀도가 높은 지역 포함)하여 환경방사능감시장비를 설치 운영하였다. 하지만, 모든 원전 지역은 각기 고유의 기상특성을 가지고 있으므로 환경방사능감시장비의 운영 목적을 극대화하기 위해서는 각 원전 지역의 고유한 기상특성을 반드시 고려한 환경방사능감시장비의 위치 선정이 필요하다.
또한 원전 중대사고 시 원전 인근 주민의 소개를 위해 각 원전 별로 비상대응계획을 수립하여 운영하고 있다. 방사능물질의 확산 거동을 파악하여 주민 피해가 최소활 될 수 있는 경로로 주민소개가 이뤄져야 한다. 이 경우에도 각 원전 지역의 고유한 기상특성과 방사능물질의 대기확산에 대한 경향성을 분석하는 사전 연구가 반드시 필요하다.
본 연구에서는 각 지역의 기상자료를 이용하여 고유의 기상특성을 파악할 수 있는 방법론을 개발하고 이를 UAE Barakah원전 지역을 대상으로 적용해 평가하였다. 이를 위해 Barakah지역의 풍속 및 풍향자료를 이용하여 해당 지역의 풍향에 따른 미래의 풍속을 확률적으로 예측해보는 재현기대풍속 개념을 도입하였다. 재현기대풍속은 Weibull 확률분포함수로 계산될 수 있는데, 과거의 기상자료를 이용하여 Weibull 특성값을 도출하였고 이를 Barakah 원전을 대상으로 적용하여 원전 수명을 고려한 향후 60년의 기간에 대해 풍향 별 재현기대풍속을 도출하였다. 먼저 2011년 2월부터 2013년 10월까지의 Barakah원전 주변의 기상데이터에 대한 Weibull 특성값 c는 6.74에서 10.67의 분포를 보였으며, 특히 여름에는 2.28부터 10.83의 분포를 갖고 겨울에는 6.56부터 11.24의 분포를 갖는것으로 계산되었다. k값은 대상기간에 대해 3.01에서 7.41의 분포을 갖는 것으로 계산되었으며, 특히 여름에는 2.28에서 16.57의 분포를, 겨울에는 2.85에서 6.90의 분포를 갖고 있는 것으로 계산되었다. 60년 기간에 대한 재현기대풍속은 약 6.99에서 17.87m/s의 풍속분포를 보였으며, 남남동 방향에서의 풍속이 전 재현기간에 대해 가장 높은 재현기대풍속을 보였다. 반면, 동북동풍의 경의 전 재현기간에 대해 가장 낮은 재현기대풍속 분포를 보였다. 또한 남서풍의 경우 재현주기가 길어질수록 가장 높은 풍속의 증가율을 보였다.
또한 원전 중대사고를 고려하여 사고 발생 시 방사능물질(^{137}Cs)의 확산에 대한 경향성을 살펴보고자 CALPUFF 코드를 이용하여 Barakah 원전 지역을 대상으로 가상의 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 전체 2011년 1월부터 12월까지 모사된 기상장에 대해 주로 북서풍 계열의 바람이 주풍향인 것으로 파악되었으며, 계절변화에 따른 풍속분포나, 풍향분포의 차이는 거의 보이지 않는 것으로 파악되었다. 또한 가상의 receptor를 설치하여 각 receptor별로 방사능물질이 확산되어 누적되는 경향을 파악하였는데, 방사능물질의 확산은 주풍향에 매우 지배적으로 영향을 받는 것으로 파악되었다. 기간별로 6 번의 확산 모델링이 수행되었는데, 6 번의 모델링 모두 주풍향인 북서풍의 영향을 받아 남동쪽 지역으로의 확산이 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로 방사능물질의 흡착이 지형적 특성에 미치는 영향을 고려하기 위해 표면거칠기인자 (Surface Rouhgness Factor)에 변화를 주어 다양한 표면거칠기인자에 대한 방사능물질의 흡착을 모사하였다. 그 결과 도심지역에 비해 사막지형의 방사능물질 흡착률이 약 25 % 이하로 낮은 것을 방사능물질 확산 모델링을 통해 알 수 있었다.
본 연구에서는 Barakah 원전의 기상특성과 방사능물질의 대기확산 거동에 대한 경향성을 파악하였고, 사막지형의 특성과 주변 환경적 특성을 고려해 Barakah 원전 주변의 ERMS 구축과 주민 소개를 위한 계획 수립에 반드시 고려해야할 사항들을 정리하여 제시하였다. 본 연구 결과는 원전 주변 ERMS구축 및 방사능유출 사고 시 주민소개를 위한 계획 수립, 그리고 원전 주변 환경영향평가 등의 활동을 위해 원전 사업자뿐만 아니라 원전 규제기관에서도 관련 활동에 대한 기초자료로 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
