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1.서론
우리나라는 2015년 말 기준 20기의 경수로형 원자력발 전소에서 16,297다발과 중수로형 원자력발전소에서 408,797 다발의 사용후핵연료가 발생하여 소내저장시설에 저장되어 있으며, 별도의 조치가 이루어지지 않는다면 소내저장시설 은 포화될 것으로 예상된다[1]. 또한, 연구용 원자로에서도 사용후핵연료를 포함하는 고준위 방사성폐기물이 발생하 고 있다. 이에 따라 고준위 방사성폐기물의 처분을 위한 별 도의 시설의 건설이 필요한 상황이며, 처분시설로 운반은 사용후핵연료 관리의 중요한 부분이다. 본 연구에서는 고준 위 방사성폐기물(이하 폐기물)의 철도육상운반에 따른 방사 선적 영향의 예비평가를 위하여 폐기물의 운반 작업자 및 운 반차량 주변의 일반인에 대한 예상피폭선량을 예측하고 그 결과를 국내 법적기준치와 비교하였다.
정상 운반조건과 육상운반 시 발생할 수 있는 사고조건 중 방사선영향이 가장 클 것으로 예상되는 운반수단의 충돌 에 의하여 폐기물 운반용기가 손상되어 방사성핵종이 대기로 방출되는 경우를 설정하였으며, 사고 시 주변사람들의 피폭 선량을 RADTRAN 전산프로그램[2]을 사용하여 계산하였다. RADTRAN 전산프로그램[2]은 방사성물질 운반 중 방사선적 위험도를 계산하는 프로그램으로, 개발 초기에는 항공기를 포함한 운반수단에 의한 방사성물질의 이동에 대한 방사선 영향평가를 수행하기 위한 계산 도구로 사용되었으나, 개선 을 통하여 다양한 이동모델, 경로, 운반시나리오에 따라 안 전성평가에 사용되고 있다. RADTRAN 전산프로그램[2]은 미 국에서 방사성물질의 운반 인허가 시 평가프로그램으로 활 용되고 있다.
또한, 운반사고 시 운반용기의 손상 부위에서 방출되 는 방사성핵종의 방출률과 운반열차의 운반용기 상하차 작 업 시 작업자와 운반용기 간 거리 변화, 그리고 운반열차의 연결차량 구성에 따른 예상피폭선량의 민감도분석을 수행 하였다.
2.운반대상 폐기물과 운반방법
운반용기는 사용후핵연료의 운반을 고려하여 KSC-4 용 기의 제원[3]을 적용하였으며, 적용한 운반용기의 제원은 Table 1에 나타내었다. 운반용기 내에는 4다발의 사용후핵 연료가 적재되며, 운반용기 1개를 전용 열차를 통하여 가상 의 처분시설로 운반하는 것으로 설정하였다. 열차의 제원[4] [5]과 운반용기 내 사용후핵연료의 배치를 Fig. 1과 Fig. 2에 각각 제시하였다.
운반용기 내 사용후핵연료의 주요 핵종별 방사능량은 SCALE (Standard Computer Analysis for Licensing Evaluation) 전산프로그램[6][7]를 사용하였다. SCALE 전산프로그 램[6][7]은 미국의 ORNL (Oak Ridge National Laboratory)에 서 개발한 사용후핵연료 동위원소 분석, 방사화, 핵임계 및 불확실도 계산 등 매우 광범위한 계산을 수행할 수 있으며, 계산 시 다양한 운전 이력을 반영할 수 있다는 장점[6][7] 때 문에 안전 및 규제 검증을 위한 인허가용 전산프로그램으로 널리 사용되고 있다. 특히 SCALE 전산프로그램[6][7] 내의 여 러 계산모듈 중 사용후핵연료의 연소특성에 따른 악티늄족 핵종의 함량의 분석에 널리 사용된다. 선원항 생산을 위하 여 적용한 사용후핵연료 제원은 Table 2에 제시하였다. 또한 SCALE 전산프로그램을 통하여 계산된 주요핵종별 방사능량 은 Table 3에 제시하였다.
3.운반경로 설정
운반경로는 현재까지 방사성폐기물 운반이 실제로 수행 된 경로를 참고하여, 한국원자력환경공단이 2015년에 수행 한 중저준위 방사성동위원소 폐기물의 육상운반의 경로[8]와 유사하게 적용하였다. 운반경로는 대전의 한국원자력환경공 단 기술연구소 인근 역에서 처분시설이 있는 지역의 역 사이 의 일반 철도로 가정하여 신탄진역-경주역 구간으로 설정하 였다. 운반경로는 약 250 km의 길이로, 운반경로가 통과하 는 행정구역의 인구밀도, 운반경로의 길이 등을 고려하여 총 6개 운반구간으로 나누었다. 운반경로의 인구밀도는 사고 시 피폭대상인구를 고려하여 구간 별 최댓값을 적용하였다. 운반구간 별 평균 인구밀도는 행정자치부에서 발간한 2013 한국도시통계자료[9]와 통계청 국가통계포털 제공자료[10]를 적용하였다. 일일평균 사고발생 수는 한국철도공사에서 발 간한 2015년 철도통계연보[11]에 기재된 2015년 국내 화물열 차 운행량과 국내 화물열차 사고발생건수를 통하여 계산하 였으며 운반경로 전체에 같은 값을 적용하였다. 일일평균 사 고발생률은 단위길이 철도에서의 운반열차 1량당 사고발생 률로, 다음 수식에 따라 도출되었다.
운반경로 통과 행정구역의 세부사항, 구간별 길이 및 대 표 인구밀도, 사고발생률은 Table 4와 Table 5에 각각 나타 내었다.
4.운반 시나리오
운반 조건에 따라 정상운반 및 운반사고 시나리오를 각 각 도출하였으며 시나리오 별 가정사항은 다음과 같다.
4.1.정상운반 시나리오
정상운반 시 운반용기는 손상되지 않으며, 고려되는 잠 재적 피폭은 감마선과 중성자선에 의한 외부피폭을 고려하 였다. 운반열차 운전자를 위한 열차 내 차폐장치는 고려하 지 않으며, 운반열차 탑승자는 2명으로 설정하였다. 열차 이 동속도는 화물열차 허용 최고속도[12]와 안전을 고려하여 80 km·hr-1로 설정하였다. 운반경로의 피폭대상은 열차로 부터 반경 800 m 범위 내 일반인과 운반작업자로 설정하였 다. 피폭대상 중 일반인은 철도 주변 거주민으로 구성하였 다. 열차 주변 일반인은 운반경로 구간별 최대 인구밀도를 통하여 산출하였으며, 운반열차 반대편에서 지나가는 열차 에 탑승한 일반인의 수는 철도이용객이 없는 새벽에 운반이 이루어지는 것으로 가정하여 여객 없는 기관차만 고려하였 으며, 구간 당 기관차 1량, 기관차 1량당 2명의 열차탑승자가 있는 것으로 설정하였다.
운반용기의 상차 및 하차 작업은 각각 10명의 작업자가 용기로부터 5 m 거리에서 1시간 동안 수행하는 것으로 설 정하였다.
운반 중 열차 운전자의 휴식을 위하여 운반 1회당 경로 상 존재하는 역에서 30분 간 1회 정차한다고 설정하였으며, 정차 시 정차역의 면적을 고려하여 수하물과 피폭대상 일반 인 간 최소거리는 1 m, 최대거리는 70 m로 설정하였다. 이 때 피폭대상은 운반작업자 및 일반인으로 설정하였으며, 정 지 상태인 열차의 차폐기능 및 별도 차폐장치는 없는 것으로 보수적으로 가정하였다.
정상운반 시나리오에서 피폭선량을 계산하는 데 사용된 외부 방사선량률과 감마선-중성자선 비율은 운반용기 제원으 로 적용한 KSC-4 운반용기의 차폐평가 결과[13]인 용기표면 및 이격지점별 감마선 및 중성자선의 선량에서 도출된 용기표 면 1 m 이격지점에서의 감마선과 중성자선의 선량률를 적용 하였다. 용기 표면 1 m에서의 선량률은 Table 6에 나타내었다.
4.2.운반사고 시나리오
운반 중 열차의 사고에 의하여 운반용기에 물리적 충격 이 가해져 운반용기와 폐기물이 손상되는 경우를 고려하였 다. 운반사고는 운반경로의 각 구간에서 일어나는 것으로 설 정하였다.
운반사고 발생 후 운반용기 손상에 의한 방사성핵종의 누출량은 NUREG [14]에서 제시하고 있는 낙하사고 시 운반 용기 내 방사성핵종 대기방출율인 운반대상 폐기물 전체 방 사성핵종의 0.1%로 가정하였으며, 누출되는 방사성핵종은 모두 에어로졸 형태로 설정하였다. 누출되는 방사성핵종 중 기체상 누출핵종(3H)을 제외한 나머지 핵종의 지면 침적속 도는 RADTRAN 전산프로그램[2]의 기본값인 0.1 m·s-1로 설정하였다.
피폭대상은 운반작업자 및 주변 일반인으로 설정하였으 며, 피폭대상의 방사선 피폭은 에어로졸 형태로 방출되는 방 사성물질의 호흡에 의한 내부피폭과 재부유되거나 공기 중 에 떠있거나, 혹은 지면에 침적된 방사성물질로부터 방출되 는 방사선에 의한 외부피폭을 고려하였다. 운반사고 발생 후 사고지점 주변의 일반인의 대피시간은 사고발생 후 24시간 으로 설정하였다.
운반사고 시 기상조건은 중립 조건인 Pasquill Category D 구간으로 설정하였다[2].
5.예비평가결과
정상운반 및 운반사고 시 일반인, 상∙하차 및 운반작업 자에게 발생되는 집단피폭선량을 RADTRAN 전산프로그램 [2]을 이용하여 계산하였다. 또한 계산된 집단피폭선량과 운 반경로 주변 및 열차 정차지 주변의 예상인구수를 바탕으 로 하여 개인피폭선량을 산출하고 이를 법적기준치와 비교 하였다.
정상운반조건 및 폐기물의 상하차 시 피폭대상 별 피 폭선량 평가결과를 Table 7에 나타내었다. 열차 운전자 의 개인피폭선량은 3.64×10-2 mSv, 일반대중의 개인피폭 선량은 7.12×10-3 mSv, 상∙하차 작업자의 개인피폭선량은 1.23×10-1 mSv이다. 이는 각각의 법적기준치와 비교하면 각 각 0.30%, 0.71%, 0.62% 수준으로 정상운반 시 피폭대상자 인 열차 운전자, 일반인 및 상∙하차 작업자의 연간 개인피폭 선량은 모두 선량한도 이내에 있음을 확인하였다.
운반사고 시 운반용기로부터 누출된 방사성물질의 거동 에 따른 시나리오 별 예상피폭선량을 예측하였다. 각 구간 별 사고발생률이 고려된 구간 별 피폭선량을 Table 8에 나타 내었다. 본 결과는 충돌에 의한 방사성물질의 누출을 고려한 것이며, 인구수를 고려한 각 구간 별 개인피폭선량은 1.37× 10-13 ~ 1.08×10-8 mSv로 일반인의 선량한도인 연간 1 mSv 값과 비교하면 낮은 값임을 확인하였다.
운반사고 시 방사성핵종 누출율 증가에 따른 피폭선량의 변화는 Fig. 3에 나타내었다. 운반대상 핵종재고량 전체에 해당하는 누출율 100 %일 때 첫번째 구간에서 개인선량률 은 최대 1.08×10-5 mSv·yr-1를 나타내었으나 일반인 선량 한도인 연간 1 mSv 값과 비교하면 낮은 값임을 확인하였다.
운반차량에서의 운반용기 상하차 작업 시 작업자와 용기 사이의 거리에 따른 피폭선량 변화를 분석하였다. 평가에 적 용된 입력데이터 중 작업자와 용기 사이의 거리를 기존 평가 에서 적용한 5 m 외에 1, 2.5, 7.5, 10, 15, 20, 25, 30 m 로 설 정하여, 각각의 거리에 대한 상하차 작업자 피폭선량을 예측 하고 Table 9에 나타내었다.
작업자-운반용기 간 거리가 7.5 m까지 늘어날 경우, 거 리와 개인피폭선량은 반비례함을 확인할 수 있었으며, 10 m 이상의 거리에서의 개인피폭선량의 관계는 거리의 제곱에 반비례함을 확인할 수 있었다. 이는 본 평가에서 사용한 RADTRAN 전산프로그램[2]의 특성에 기인한다. 선원의 길 이에 비하여 가까운 거리인 경우 선원이 선선원(Line Source) 으로 반영되어 운반용기의 길이가 반영되지만, 일정 거리 이 상에서는 선원의 길이에 비하여 거리가 멀어지면 선원이 점 선원(Point Source)으로 전환되어 계산되기 때문이다.
계산 결과 작업자-운반용기 간 거리가 1 m일 경우 개인 피폭선량은 6.11×10-1 mSv로 나타났으며, 이는 5 m 거리에 서의 개인피폭선량의 5배의 값이다. 또한, 15 m에서의 개 인피폭선량은 2.01×10-2 mSv, 20 m에서의 개인피폭선량은 5.10×10-13 mSv, 30 m에서의 개인피폭선량은 2.30×10-3 mSv 로 각각 나타났으며, 5 m 거리에서의 개인피폭선량의 16.3%, 4.15%, 1.87% 수준이다.
철도를 이용한 운반 시 열차의 구성에 따라 운전자의 피 폭선량이 달라질 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 4에 나타낸 바 와 같이 기관차와 운반용기 적재 화물차 사이에 본 연구에 적 용된 것과 동일한 규격의 빈 화물차 1량을 추가로 연결하여 운반할 경우에 대한 운전자의 피폭선량 계산결과를 빈 화물 차가 없는 경우와 비교하였다.
비교 결과, 빈 화물차를 추가할 경우 열차 운전자의 개인 피폭선량은 1.30×10-2 mSv로, 운반용기 적재 화물차를 직접 연결할 경우의 선량의 약 35.6% 수준임을 확인하였다.
6.결론
본 연구에서는 철도를 이용한 국내 고준위 방사성폐기 물의 육상운반경로에 대한 예비방사선영향평가를 수행하 였다. 운반대상 폐기물을 설정된 운반경로를 통해 정상적으 로 운반하였을 경우 열차 운전자의 개인피폭선량은 3.64× 10-2 mSv, 일반인의 연간 개인피폭선량은 7.12×10-3 mSv, 상·하차 작업자의 개인피폭선량은 1.23×10-1 mSv로, 일반 인 및 작업자에 대한 법적기준치 대비 0.30%, 0.71%, 0.62% 수준이며, 운반차량 사고에 의한 개인피폭선량은 일반인의 선량한도인 연간 1 mSv 값에 크게 못 미치는 것으로 평가 되었다.
또한, 운반사고조건에 적용된 방사성물질의 누출율 변화 에 따른 피폭선량 민감도 분석에서는 운반대상 폐기물 내 방 사성물질 누출율이 100%일 경우에 개인피폭선량률은 최대 1.08×10-5 mSv로 일반인 연간피폭선량인 1 mSv에 비하여 낮은 값으로 예측되었다. 또한 상하차 작업자-운반용기 간 거 리의 변화에 따른 피폭선량 민감도 분석 결과, 30 m 거리에 서의 개인피폭선량은 5 m 지점에서의 선량의 1.87% 수준으 로 나타났다. 한편 기관차와 운반용기 적재 화물차 사이에 빈 화물차를 연결할 경우 열차 운전자의 개인피폭선량은 빈 화 물차가 없는 경우의 35.6% 수준으로 떨어짐을 확인하였다.
본 연구 결과에 따르면 일반인 및 작업자에 대한 방사선 영향은 국내 법적제한치에 비해 낮은 것으로 나타났다. 그 러나 운반용기의 차량 상하차 시 가까운 거리에서의 작업은 지양하여야 할 것으로 판단되며, 빈 화물차를 기관차와 운 반용기 적재 화물차를 연결하는 방안은 운전자의 피폭선량 저감에 효과적임을 확인하였다.
본 연구에 적용한 운반특성과 실제 운반특성이 다를 경 우, 운반 작업자와 피폭범위 내 일반인에 대한 별도의 차폐 장치 설치와 상하차 작업자의 피폭선량 최소화를 고려한 연 구가 추가로 수행되어야 할 것이다. 또한 본 연구에서 적용 한 경로 이외에 가상의 처분시설의 위치에 따른 추가경로를 고려하여야 한다.
