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연구정보

Korea Institute of Ocean Science & Technology

후쿠시마 사고 이후, 해양방사능 모델 개발·확장에 관한 국제동향

  • 조회 : 6925
  • 등록일 : 2015-10-28
후쿠시마 사고 이후 해양방사능 모델 개발확장에 관한 국제동향.pdf 바로보기

2011년 3월 11일, 일본 태평양측 동북연안의 외 해역에서 발생한 진도 9.0의 지진 및 초대형 지진해일로 후쿠시마 다이치 원전이 치명적인 손상을 입었다. 지진으로 야기된 지진해일의 내습으로 후쿠시마 원전의 외부 전력공급이 전면 끊기면서 시스템이 과열되었고, 이는 원자로 용융, 그리고 수소폭발로 이어졌다. 그리고 그 결과 대량의 인공방사능 물질들이 대기와 해양으로 유출되었다. 
방사성 물질은 크게 자연방사성 물질과 인공방사성 물질로 나누는데, 자연방사성 물질은 우리주변에 언제나 상존해왔다. 인공방사성 물질이란 이전에는 없었으나 그 동안 인류가 실시한 핵실험 등으로 지구환경에 존재하게 된 것을 말한다. 137Cs의 경우, 1945~1980년에 걸친 핵실험으로 약 950PBq에 달하는 양이 전 지구 대기로 퍼져 나갔다. 이는 체르노빌 사고로 인해 유출된 양의 약 11배 정도이며, 후쿠시마 사고의 영향에 의한 것으로 비교하면 개략적으로 80배 정도에 이르는 양이다. 당연한 노력이겠으나 핵실험의 영향을 파악하기 위하여 그 동안 전 지구적 규모의 모니터링이 실시되어 왔다. 2016년은 체르노빌 사고 30주년이 되는 해로서 그 동안 축적한 과학적 지식에 근거하여 후쿠시마 방사능 유출의 영향을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는지, 실효적으로 경감하는 것이 가능한지에 대한 의문이 제기되고 있다. 
원전 사고 이후, 전 세계 유수한 연구기관, 대학, 기업연구소 등에서 후쿠시마 원전에서 기인한 인공방사능 물질이 퍼져나가는 양상을 예측하여 웹사이트와 유튜브 등을 통해 경쟁적으로 제공하였다. 단발성이기는 하지만, 한국해양과학기술원에서도 2011년부터 가동하기 시작한 실시간 해양순환 예측시스템을 이용하여 사고 2주 이내에 해양으로 유출된 방사능의 초기 이동 방향을 언론에 제공하였다. 이러한 즉각적인 대응 및 정보 공개는 긍정적인 측면이 많았으나 부작용도 초래되었다. 서로 다른 시뮬레이션 결과는 전문가들 조차 혼란스러울 정도였으며 의미 없는 결과를 제공하다가 스스로 정보제공서비스를 중단하는 사태도 발생하였다.
해양방사능은 3차원적으로 확산되는데, 해양쓰레기와 동일하게 취급하여 해수 표층에서 이동하는 것으로 간주한 경우도 있었다. 컬러로 보기 좋게 제공된 인공방사성 물질의 전 지구적 해양확산에 관한 국외의 예측결과는 일반인은 물론 타 분야에 종사하는 학자들 조차도 방사능 물질의 해양 확산에 대한 잘못된 이해를 갖기에 충분하였고, 우리나라 주변 수산물의 오염 가능성에 대해 심각한 우려를 초래하기도 하였다. 이러한 사태가 발생한 데에는 전 세계적으로 방사능 관련 재난에 대해 준비가 충분하지 않았고, 체르노빌 사고의 교훈에도 불구하고 국가간의 경계를 가로지르는 대형 방사능 사고에 대한 대비가 전혀 없었다고 요약할 수 있다.    
후쿠시마 사고가 발생한지 약 4년 반이 지났다. 국제원자력기구(IAEA)는 물론 전 세계 주요 국가에서는 후쿠시마 사고의 원인과 대응 경과를 분석함으로써 자국 원자력발전소의 안전을 강화하고 대응 능력을 향상하기 위해 다양한 노력을 하고 있다. 본 원고에서는 모델링의 국제동향과 한국해양과학기술원의 관련 연구 현황을 소개하고 향후에 발생할 수 있는 대형 방사능 사고에 대비하여 정책적으로 어떠한 전략이 필요한지에 대해 기술하고자 한다.   


KIOST 관련 연구사업

해양과학기술원은 현재 두 개의 해양방사능 관련 연구사업을 진행하고 있다. 2012년 1월부터 2014년 12월까지 1단계 연구가 진행된, “환경충격에 따른 해양환경 영향 예측시스템 개발 - I. 해양방사능 충격” 사업이며, 이를 이은 2단계 사업으로 2015년 1월부터 “해양생물 영향 및 방사능 물질 해양 유입 사고 대응 해양 확산 및 생물영향 연구 (파랑-부유퇴적물-해양방사능 통합 모델 개발 및 생물농축계수 개선 실험 연구)”가 진행 중이다. 
다른 하나는 “한중 핵안전 모니터링 및 예측시스템 개발 협력 연구”로 2011년 12월부터 한중해양과학공동연구센터 주관으로 진행되고 있다. 한중 협력사업은 2011년 한중일 정상의 핵안전 협력 선언에 부응하여 해수부(당시 국토해양부)에서 중장기적인 한중 협력네트워크 기반 마련을 위해 추진되었다. 
상기 연구사업들의 추진 필요성은 두 가지로 요약된다. 하나는 2011년 3월 발생한 후쿠시마 방사능 유출사고에 대응하기 위한 것이고, 다른 하나는 잠재적 위협으로 북서태평양 해역에서의 대형 해양방사능 오염 사고 발생에 대비하기 위한 것이다. 후쿠시마 원전 상황은 아직까지 유동적으로, 돌발적인 상황 변화로 인해 방사능이 유출될 수 있으며 대규모 방사능 물질을 불가피하게 해양으로 배출할 가능성이 있다. 따라서 앞으로도 후쿠시마의 상황 변화에 신속히 대응하여 적절한 정보를 정부, 관련기관 및 대중에게 제공할 필요가 있다.
1단계 해양방사능 주요사업은 북서태평양 지역해를 대상으로 한 방사능 거동 예측시스템 구축 및 시범적용, 해양생물에의 영향(방사능 축적율) 및 선량 평가 예측 모델 구축, 대양 인공방사성 물질 모니터링 및 전이 실험, 그리고 지진해일 모델링 등, 4가지 세부주제로 구성되었다. 이 중 대양 모니터링 및 전이 실험만 제외하고 모두 모델링과 관련이 있다. 
해양방사능 거동 예측시스템 구축 관련해서는 부유퇴적물 모델과 결합된 해양방사능 거동 모델 개발에 중점을 두고 있으며, 후쿠시마 주변해와 황동중국해를 대상으로 적용하였다. 이를 후쿠시마 주변해에 관한 적용 결과는 그림 1과 같다. 대기 낙진과 해양직접 방출 효과를 비교한 결과 방출 초기에는 해양방사능 분포에 주된 요인으로 대기 낙진효과가 있지만, 시간이 가면서 점차 해양 직접 유입 영향이 강하게 나타나고 있다.

 

그림 1. SELFE 모델을 이용하여 계산된 후쿠시마 기인 137Cs의 초기 3개월간의 거동

그림 1. SELFE 모델을 이용하여 계산된 후쿠시마 기인 137Cs의 초기 3개월간의 거동
:  좌) 대기낙진 미 고려 시, 우) 대기낙진 고려 시.

 

해양생물에 대한 영향(방사능 축적율) 및 선량 평가 예측 모델은 해양방사능사고 긴급지원시스템의 일부로 유럽에서 개발된 POSEIDON 박스모델을 기반으로, 북서태평양을 대상으로 구축하였다. 이 모델은 역학적 기법에 기반한 모델로서 식물플랑크톤, 동물플랑크톤, 연체동물, 갑각류, 초식성 어류 및 육식성 어류로 이어지는 부유생물 먹이망을 통한 해양방사능 물질 전이과정이 고려되며 해조류도 포함된다 (그림 2 참조).

 

그림 2. POSEIDON 모델에서 고려되는 부유생물 먹이망과 방사능물질 전이 경로

그림 2. POSEIDON 모델에서 고려되는 부유생물 먹이망과 방사능물질 전이 경로

 

모델 구성은 수평적으로는 약 170여 개의 직사각형 박스, 수직으로는 수심에 따라 1~3개 층으로 하여 북서태평양 해역을 모델화하였다. 각 박스간의 해수 교환량은 서울대 조양기 교수팀의 북서태평양 모델 결과를 10년 평균하여 정의하였다. 수산물 섭취에 따른 선량평가를 위해 한국, 중국 및 일본의 수산통계 자료에 근거하여 연평균 수산물 포획량을 입력하였으며 후쿠시마 사고에서 기인한 인공방사능 물질의 해양 유입은 물론, 전 지구적 낙진이 함께 고려되었다. 집단선량 분석 결과 후쿠시마 사고로 2011년 일본인이 받은 집단선량은 후쿠시마 사고 이전에 비해 약 6배 증가한 것으로 평가된 반면, 한국과 중국의 경우에는 거의 영향을 받지 않은 것으로 나타났다.
핵안전 기반연구 포함된 지진해일 모델링 부분에서는, 2011년 동일본 대지진으로 인한 지진해일 전파 모델링은 물론 일본 난카이 해구(Nankai Trough)에서 향후 발생 가능한 대규모 지진에 수반되는 지진해일이 한국 남해와 중국 연안에 미치는 영향을 검토하는데 집중하였다. 검토 결과 일본 난카이 해구에서 출발한 지진해일은 큐슈 남단을 돌아 약 4시간을 전후하여 우리나라 남해안에 영향을 주며, 그 크기는 최대 1m 이내인 것으로 나타났다. 지진해일의 주축은 중국 항주만 방향으로 진행하는 것으로 확인되었다. 정확한 추정은 불가하나 수퍼 태풍과 중복되지 않는 한 중국의 원전안전에 위협이 될 수준은 아닌 것으로 판단되었다.


국제동향

먼저 IAEA 주관으로 과거에 수행된 모델 검증 프로그램을 간략히 소개한다. 1988-1996년간에는VAMP(Validation of Model Predictions), 1991~1996 간에는 BIOMOVS (BIOspheric Model Validation Study), 1996~2001 년간에는 BIOMASS(BIOspheric Modeling and Assessment), 2003~2007 년간에는 EMRAS(Environmental Modeling for Radiation Safety, 그리고 2009~2011 년간에는 EMRAS II가 진행되었다. VAMP에서는 체르노빌 사고에 따른 방사능 유출 시나리오와 방사능 전이관련 자료의 수집에 초점이 맞추어졌으며, BIOMOVS에서는 단기 및 장기 방출과 원자로, 고체폐기물저장소 등에 대한 검토, BIOMASS 에서는 체르노빌 방출 시나리오, 환경 정화, 폐기물 처리의 장기 영향 등이 다루어졌다. EMRAS에서는 일상적 및 돌발적 유출 시나리오, 전이관련 자료의 재검토와 보완, 생물영향 모델의 반응실험 및 상호비교 등이 다루어졌으며, EMRAS II 로 이어졌다.   
상기 프로그램의 후속으로 2012년 IAEA는 MODARIA 프로그램을 출범시켰다. 제1주제는 오염된 지역의 복구 또는 정화, 제2주제는 불확실성과 변동성, 제3주제는 방사능 노출과 생물에의 영향, 제4주제는 해양 모델링이다. 제1 주제 내에는 3개의 워킹그룹(WG1, WG2 및 WG3)으로 구성되었다. 구제적으로 WG1은 복구 및 정화 전략과 의사결정 지원 기술들, WG2는 도시환경에서의 노출과 복구 또는 정화 수단의 효과, WG3는 자연방사능 물질(NORM)과 폐기지역의 영향 및 복구(정화)를 다룬다. 제2주제 내에는 4개의 워킹그룹(WG4, WG5, WG6 및 WG7)이 구성되었다. WG4에서는 방사생태학적 자료의 분석, WG5는 방사성 물질의 일상적인 방출과 관련한 불확실성, WG6에서는 방사성 폐기물 처분시설을 위한 환경 모델링, 그리고 WG7에서는 트리튬(Tritium) 방출과 관련한 모델들에 대해 다룬다. 제3주제는 2개의 워킹그룹(WG8과 WG9)으로 구성되었다. WG8에서는 식물과 관련한 방사성 물질 전이 및 노출, 그리고 WG9에서는 야생종 집단에 대한 영향을 다룬다. 끝으로, 제4 주제에는 1개의 워킹그룹(WG10)만이 포함되어 해양 환경에서의 거동 및 전이과정 관련한 모델링을 다룬다. 한국해양과학기술원 해양방사능연구센터 모델링 연구팀은 현재 WG8과 WG10에 우크라이나 IMMSP연구팀과 공동으로 참여해오고 있다. MODARIA 활동의 성과는 학술논문으로 발표됨은 물론 보다 높은 수준의 IAEA 지침서 마련의 기술적 근거가 될 예정이다.
일본 학술회의(Science Council of Japan) 주관으로 후쿠시마 원전 방사능 관련한 모델 비교프로그램이 2011년 말 경부터 2014년 9월까지 진행되었다. 대기 확산 모델과 해양확산 모델로 구분하여 진행되었으며 한국해양과학기술원은 해양 확산 모델링 분야에 참여하였다. 해양확산 모델에는 총 10개 기관 (일본 5, 독일 1, 프랑스 2, 한국-우크라이나 1, 미국 1개 기관)의 총 11개 모델이 비교되었다 (그림 3). 비교 결과 모델간에 매우 큰 차이가 있음을 확인하였는데, 이는 쿠로시오와 오야시오가 만나는 이 해역의 복잡한 해류를 서로 다르게 시뮬레이션한 것이 주된 원인이었던 것으로 확인되었다. 최종보고서는 2014년 9월 초에 완성되어 일반에 공개되었으며, 적용된 모델 결과들의 평균이 최종 제시되었다.

 

그림 3. 좌) 일본 학술회의 주관 모델 비교프로그램에 참여한 기관 및 모델 특성, 우) 모델 결과 비교

그림 3. 좌) 일본 학술회의 주관 모델 비교프로그램에 참여한 기관 및 모델 특성, 우) 모델 결과 비교 
(편의상 일부만을 제시: b) GEOMAR, c) IRSN, e) JAMSTEC-JCOPET, f) KIOST/IMMSP, h) JAMSTEC-MSSG , i) NIES.

 

2015년 7월 일본 학술회의는 후속 프로그램으로 제2차 모델 비교프로그램의 추진 여부를 타진하고 있다. 구체적으로 츠루타 등이 일본 약 99개 대기 부유물질 관측네트워크에서 수집한 137Cs 대기 중 농도 자료를 이용하여 대기확산 모델 비교프로그램 참여 의사를 문의하고 있다. 
프랑스 IRSN(Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety)을 포함한 유럽 연구자들은 후쿠시마 사고로 인한 해수 및 해양생물내의 방사능 농도가 서로 평형에 있지 않다는 점을 확인하고 시간변화를 고려하는 모델이 필요하다고 확인하였다. IRSN은 프랑스의 핵안전과 관련한 연구 및 정보를 제공하는 기관이다.
국제동향에서 논란이 되고 있는 이슈는 후쿠시마 원전사고로 인해 대기 및 해양으로 방출된 방사능 물질의 양에 관한 것이다. 오염원 정의는 모델링에서 가장 기본적인 사항으로 해양방사능 거동 예측 모델 및 해양생물 영향 예측 모델 결과 모두에게 영향을 줄 수 있다. 여러 학자들이 학술논문에서 제시한 값들을 살펴보면 대기로의 방출량은 최대 36.6PBq, 해양으로의 직접 배출된 양은 최대 27.0PBq에 달한다.(표 1) 일본 학술회의 비교프로그램에서도 서로 다른 값들이 사용되었음은 물론이다. 이 논란은 쉽게 마무리될 사항은 아니나, 경우에 따라서는 한국해양과학기술원 모델의 재적용도 필요할 수 있다고 판단된다. 아울러 잠재적 사고에 대비하여 배출량을 추정하는 기술 확보가 긴요할 것으로 사료된다.

 

표 1. 후쿠시마 원전사고로 인한 137Cs 방출량 (좌: 대기 방출량, 우: 해양 직접 방출량)

표 1. 후쿠시마 원전사고로 인한 137Cs 방출량 (좌: 대기 방출량, 우: 해양 직접 방출량)
주)배출량 단위는 PBq

후쿠시마 사고 이후 프랑스 IRSN 및 일본 JAEA 등은 기존 모델링 시스템의 확장을 서두르고 있다. 이를 위해 실시간 해양방사능 거동 예측 시스템 구축을 추진하고 있으며 모델 범위도 북태평양 또는 전 지구 규모로 확장을 도모하고 있다. 물론 부유퇴적물과의 상호작용도 고려하기 위한 노력이 추진되고 있으며 해양생물 영향 예측 모델도 개선 또는 확장을 추진하고 있다. 현재까지 한국해양과학기술원이 달성한 모델링 성과는 전 지구 해양방사능 거동 모델링을 제외하고는 앞서 있거나, 최고 수준에 있다고 평가할 수 있다.
단, 이 성과는 세계 최고의 기술력을 보유한 우크라이나 IMMSP 연구팀과의 협력 연구를 통해서 가능했음을 부인할 수 없다. 조만간 전문화된 양질의 인력과 대형 컴퓨팅 자원을 갖고 있는 국외 연구기관들이 앞서나갈 것으로 예상된다. 특히, 모델 해상도 및 범위 부분에서는 경쟁력을 유지하기 어려울 것으로 사료된다. 따라서, 해양과학기술원 주요사업에서는 세부적인 현상들의 고려를 통해 선구적 위치를 유지해 나갈 계획이다.     


결론 및 정책 제언

후쿠시마 사고의 가장 중요한 교훈은 불가능한 재난은 없다라는 것이다. 연구자들은 예상하지 않았던 것을 예상해야 하며, 최악의 상황에 대비해야 한다. 따라서 후쿠시마 규모의 사고가 한국이나 중국에서 발생했다면 과연 우리는 어떻게 얼마나 효율적으로 대응했을 것인가에 대해 진지하게 검토해 볼 필요가 있다. 후쿠시마 사고에 대하여 일본의 대응은 많은 비판을 받기도 했지만, 여러 연구기관과 대학 연구팀들이 투입되어 모델링은 물론 모니터링을 실시해 오고 있다. 과거부터 방사능에 관한 광범위한 연구를 진행해 온 일본의 역량과 우리의 역량에는 분명한 차이가 있다. 특히 해양방사능 분야에서는 격차가 크다. 현재 정부에서는 동북아평화협력구상 관련하여 재난을 포함하여 추진하고 있으며, 핵심 내용으로는 동북아 국가간의 민관협력네트워크 구축이 포함되어 있다. 북서태평양 지역에서의 대형 방사능 유출사고 대응에 실효적인 방안으로 국내적인 역량 및 협력체계 강화 노력은 물론 국제 민관협력체계 구축이 긴요함을 제언한다. 

 

글 | 해양환경방사능연구센터 정경태 책임연구원

2015-10-28 

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2021-02-17