□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 ◯ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 성능 평가 방법론 개선 - 기존 시험 방법론 한계점 분석 및 흡수재 열화거동 분석 선행연구 결과 분석을 통해 사용후핵연료 습식/건식 저장시설 내 흡수재 복합열화기구 모사가 가능한 개선방안 제시 ◯ 성능 평가 방법론 개선안 활용 중성자 흡수재 장기·고온 안전규제 기반자료 생산 - (사용후핵연료 습식저장조 환경) 중이온 가속기를 활용하여 중성자유도핵반응(¹⁰B(n, α)⁷Li)에 의한 흡수재 조사손상을 모사하고, 가속부식실험을 연속적으로 수행하여 복합 열화에 의한 장기 열화 거동 분석 수행 - (사용후핵연료 건식저장시설 환경) 건식 저장용기 내 복합열화 환경 (고온, 방사선, 잔존 수분 등) 하 흡수재 복합열화 모사를 위해 고온 조사실험 및 고온/습윤 부식실험 수행하여 고온 열화기구 규명 ◯ 국내 중성자 흡수재 평가 시험기반 마련 - (국내 가속기 시설 활용 조사손상 모사실험 수행방안 제시) 중성자유도핵반응에서 방출되는 고에너지 알파 입자와 리튬이온에 의한 조사손상 모사를 위해 KOMAC 등 국내 중이온 가속기 시설을 활용한 상온/고온 조사실험 방안 제시 - (중성자 흡수재 가속/고온 부식 모사실험 시설 구축) 조사손상 모사시편을 활용한 흡수재 장기·고온 부식열화 거동 모사를 위해 국내 사용후핵연료 습식 저장조 및 상용 건식 저장용기 내부 환경 모사가 가능한 가속/고온·습윤 부식루프 구축 - (표준물질(ZrB₂) 제작 및 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축) 조건별 (두께 및 ¹⁰B 면밀도) 표준물질 시편 제작 및 국내 열중성자 발생장치 활용 중성자 흡수능 데이터베이스 구축을 통한 국내 중성자 흡수재 흡수능 평가 시험기반 마련. ◼ 전체 내용 ○ 연구 필요성 - (사용후핵연료 건식 저장시설 건설 임박) 한국원자력환경공단(KORAD)에서 2023년 발표한 ‘방사성폐기물 관리시행계획’에 따라 사용후핵연료 저장용량 확보를 위해 20년 이내 건식 중간저장시설 확보를 계획하고 있으며 [1], 건식 저장용기 내 미임계 유지를 위해 필수적인 중성자 흡수재는 미국/일본 등에서 널리 사용 중인 Al-B₄C 기반 상용 중성자 흡수재가 도입될 것으로 추측됨. - (중성자 흡수재 국내 규제기반 미비) 국내 습식저장조 내에서 사용 중인 중성자 흡수재 설계수명은 흡수재 제조사 자체 실험결과에 근거하였으며, 안전관리는 원전 사업자 내부 지침에 의거하여 수행하고 있어 [2] 국내 규제기준이 미비한 실정임. 또한, 근시일내 건설 예정인 건식 저장시설 환경을 반영한 중성자 흡수재 고온·장기 안전관리 및 규제 방안의 선제적 설정을 위한 기반자료 마련이 시급한 상황임. - (열화 흡수재 시편 조기열화 현상 관측) 습식 저장환경 하열화 흡수재를 분석한 선행연구는 흡수재 주요 열화 요인으로 중성자유도핵반응 (¹⁰B(n, α)⁷Li)에 의한 흡수재 표면공극률이 증가와 그에 따른 표면 부식이 가속화 현상을 제시하였음 [3]. 또한, 흡수재 조사가속부식 등 복합열화기구에 의한 흡수재 표면 점부식 현상 및 표면 B₄C 입자 유실 등에 의한 흡수능 저하 등 흡수재 조기열화 현상을 보고하였음. - (국내 중성자 흡수재 안전규제 근거자료 부족) 본 연구는 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 조기열화 현상의 원인을 기존 시험 방법론의 한계로 상정하고, 기존 방법론을 활용하여 설정된 설계수명에 대한 재평가가 필요하다고 판단하였음. 또한, 전 세계적으로 제한적으로 수행된 건식 저장환경 하흡수재 열화 관련 연구로 인해 정확히 분석되지 않은 흡수재 고온 복합열화 기구를 규명하고자 함. ◯ 연구 동향 - (국내 사용후핵연료 저장처분 핵심기술개발 연구) 과기정통부/산업부/원안위에서 공동 주관하여 수행 중인 연구사업은, 사용후핵연료 저장처분 안전성 확보를 위해 계획되었지만, 최근 연구를 통해 밝혀진 중성자 흡수재 조기 열화 및 흡수능 저하 현상’을 반영한 저장·처분 시설 장기 건전성 저하 가능성이 고려되지 않음. - (건식 저장시설 내 Al-B₄C 흡수재 열화거동 분석 연구) 미국 미시간 대학교에서 상용 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 2종(BORAL/BORTEC)을 활용한 조사실험 및 고온 부식시험을 수행하여 B₄C 입자 유실 가능성을 제시하였으나 [4], 지나치게 보수적인 실험조건을 채택하여 건식 저장용기 내 흡수재 열화거동을 정확히 평가하였다고 보기 어려움. - (국내 건식저장 용기 및 중성자 흡수재 개발 현황) 한국원자력환경공단 (KORAD)이 주관하여 중간저장 용 금속 건식 저장용기를 개발하여 국내 인허가 획득을 목표로 연구를 수행 중임. 또한, 한국원자력연구원 (KAERI)에서 기존 Al-B₄C 기반 흡수재 한계점 보완을 위해 티타늄 기반 중성자 흡수재를 개발하였으나, 추가 실험 검증이 필요한 상황임. ◼ 1단계 ❏ 목표 ○ Al-B₄C 기반 흡수재 장기·고온 안전성 평가실험 방법론 개선안 제시 및 평가실험 기반 마련 ❏ 내용 ○ Al-B₄C 흡수재 열화시편 활용 장기 안전성 평가실험 설계 - 조사손상 모사 실험조건 설정 및 조사손상 모사 시편 생산 • 실험조건 설정: (조사손상도: 10 dpa) 열화 흡수재 미세구조 내 헬륨 버블 형상 분석을 통해 설계수명 내 최대 10 dpa가 누적될 것으로 판단하고 조사손상도 조건을 설정함. • 헬륨 이온 조사실험 수행: 중성자유도핵반응에서 방출된 고에너지 헬륨 입자 및 리튬이온에 의한 흡수재 조사손상 모사를 위해 중이온 가속기를 활용하여 상온 조건에서 160 keV 헬륨 이온 조사실험 수행. - 조사손상 모사시편 활용 가속 부식실험 조건 설정 및 수행 • 가속부식 실험조건 설정: 국내 가동원전 내 사용후핵연료 저장조 환경 (수화학 조건, 온도 등)을 모사하여 수화학 조건을 (붕소 및 리튬 농도 등) 설정. 또한, 최대 가속배수 활용이 가능한 온도 조건 (90 ℃)을 채택함. • 가속부식루프 설계 및 구축: 실험 장치는 예열기, 냉각수 탱크, 항온수조, 열교환기 및 펌프와 다수의 열전대로 구성하였으며, 주기적으로 실험수를 채취하여 화학 분석이 가능하도록 설계함. • 가속부식실험 수행: 습식저장조 내 중성자 흡수재 장착 환경을 모사하기 위해 실제 내부 구조물과 같은 재질인 스테인리스강으로 제작된 시편 홀더를 설계하고 내부에 시편을 장착하여 부식실험을 수행함. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 고온 복합열화 모사실험 설계 - 중성자 흡수재 고온 조사손상 모사실험 조건 설정 및 수행 • 실험조건 설정: (조사손상도: 0.01, 0.1, 1 dpa/ 온도: 상온, 150, 270, 400 ℃) 사용후핵연료 건식 저장시설 내 온도 및 중성자 선속 측정 결과를 기반으로 온도변화와 설계수명 내 조사손상도 누적량을 계산한 선행연구를 참고하여 온도 및 조사손상도 조건을 설정함. • 고온 중이온 조사실험 수행: 국내 중이온 가속기 시설 내 고온 이온 챔버를 활용하여 직접 제작한 전용 시편홀더에 시편을 장착하고 총 12가지 실험조건에서 고온 헬륨 이온 조사실험을 수행함. - 고온/습윤 가스부식실험 조건 설정 및 부식루프 설계 • 실험조건 설정: 온도는 조사손상 모사실험 온도와 동일하게 설정하고, 습도 조건은 사용후핵연료 집합체 건조 조건과 대표적인 저장 용기 내부 체적을 기준으로 계산하여 보수적인 값을 채택함. • 고온/습윤 가스부식루프 설계: 장치는 고온 조건에서 일정한 온도와 습도를 유지할 수 있도록 헬륨 질량조절기(MFC), 물 정량펌프, 기화기, 예열기, 반응 용기 등으로 구성하였으며, 내부 온도 및 습도를 실시간으로 측정하기 위해 다수의 열전대와 습도계를 장착함. ◼ 2단계 ❏ 목표 ○ 사용후핵연료 습식/건식 저장시설 내 Al-B₄C 기반 흡수재 열화 거동 분석 및 기구 규명을 통한 안전규제 기반자료 생산 ❏ 내용 ○ 열화 흡수재 시편 활용 습식저장조 내 장기 열화 거동 분석자료 생산 - 열화시편 활용 추가 조사손상 모사 및 가속 부식실험 수행 후 특성 변화 분석결과: • 중이온 조사 후 열화 흡수재 시편 산화층의 다공성 구조에 의해 헬륨 버블이 형성되지 않고 다량의 공극이 관측되었음. 또한, 가속부식실험 수행 후 전반적으로 다공성 형태의 Al 산화막이 관측되었으며, 일부의 흡수재 시편 표면에서 붕소 고착물로 추정되는 물질이 확인됨. 알루미늄 합금 기반재료 내 Al, Mg 산화 및 용출로 인해 국부적으로 수십~수백 μm 정도의 점부식이 다수 확인됨. - (분석결과 시사점) 부식 기간 증가에 따라 감소한 흡수재 무게 및 pit 깊이로 보아 흡수재 표면에서의 B₄C의 탈락 가능성이 확인되었음. 또한, 표면에서 다수 관측된 점부식으로 인한 국부적 중성자 흡수능 저하 현상에 대한 고려가 필요할 것으로 판단됨. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 고온 열화 기구 규명 - 고온 조사손상 모사 및 고온/습윤 가스부식 실험 수행 후 특성 변화 분석결과: • (고온 중이온 조사 후) 매우 낮은 조사손상도 조건 (0.01 dpa)부터 헬륨 버블이 형성되었으며, 조사 온도가 증가함에 따라 헬륨 버블 평균 크기가 증가하고 수밀도가 감소하는 경향성이 관측되었음. 또한, 고온 조건 및 미세구조 내 경계면 (탄화붕소 입자-기반재료 경계면 및 결정립계)에서 헬륨 버블이 더욱 응집하고 성장한 것을 확인하였음. • (조사손상 모사시편 활용 고온/습윤 가스 부식실험 수행 후) 고온 부식 후 헬륨 버블의 평균 크기가 증가하였으며, 특히 경계면에서 더욱 응집하여 성장한 것이 관측되었음. 또한, 고온/습윤 환경 하 흡수재 입계부식 거동이 확인되어 조사손상 누적으로 인한 탄화붕소 입자 주변 다공성 구조에 의해 부식층 성장이 가속화될 가능성을 확인하였음. - (분석결과 시사점) 사용후핵연료 건식저장 초기부터 흡수재 기반재료 내 헬륨 버블 누적 및 성장이 시작될 수 있으며, 조사손상이 흡수재 부식을 가속화하고, 흡수재 부식에서 생성된 수소 기체가 헬륨 버블을 성장시키는 등 복합열화에 의한 흡수재 조기열화 가능성이 고려되어야 함. ○ Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 시험 방법론 개선안 검증 - (고온 조사손상 모사시험 필요성 확인) 상온 조사실험 수행 후 열처리를 수행한 선행연구 결과와 비교분석을 통해 뚜렷한 조사손상 거동 차이가 확인되어 고온 조사실험(in-situ high T. irradition) 필요성이 확인되었음. - (시험 방법론 개선안 활용 복합열화기구 모사 가능성 확인) 고온/습윤 부식시험 수행 후 성장한 버블 내에서 알루미늄 부식 반응에서 생성된 수소 기체가 발견되는 등 기존 방법론에서 발견되지 않았던 복합열화 거동이 관측되어 개선안 활용 복합열화기구 모사 타당성이 검증되었음. ❏ 목표 ○ 국내 중성자 흡수재 성능 평가 실험기반 마련 ❏ 내용 ○ 표준물질 제작 및 중성자 흡수능 데이터베이스 구축 - (붕소 (¹⁰B) 면밀도별 표준물질 시편 제작 및 가공) 표준물질(ZrB₂) chunk 제작의뢰 및 구매 후 방전가공(EDM: Electrical Discharge Machining) 공정을 활용하여 시편 절단 및 붕소 면밀도별 시편 생산 - (조건별 표준물질 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축) KRISS 열중성자 발생장치를 활용하여 열중성자 투과시험을 수행하였으며, 흡수재 시편 두께에 따른 열중성자 흡수능 변화를 고려하여 표준물질 시편에 알루미늄판을 덧대어 두께별 열중성자 흡수능 측정 결과를 도출하였음. □ 연구개발성과 ○ 정성적 성과 - 사용후핵연료 저장시설 내 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 성능 평가 시험 방법론 개선방안 제시 및 검증 - 국내 입자 가속기 활용 중성자 흡수재 조사손상 모사실험 방안 제시 및 검증 - 사용후핵연료 습식저장조 내 중성자 흡수재 장기 열화 거동 데이터베이스 구축 - 사용후핵연료 건식저장 용기 내 중성자 흡수재 고온 열화 기구 규명 - 국내 Al-B₄C 기반 중성자 흡수재 평가 실험기반 마련 ○ 정량적 성과 - 사용후핵연료 습식 저장조 환경 반영 가속 부식루프 구축 - 사용후핵연료 건식 저장시설 환경 반영 고온 부식루프 구축 - 붕소 함유량별 표준물질 시편 제작 및 열중성자 흡수능 데이터베이스 구축 - 안전기술보고서 (N-STAR): 8편 - SCI 논문: 3편 - 국내·외 학회 논문 발표: 7건 - 원자력 공학박사 배출: 2명 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ◯ 국내 사용후핵연료 중간저장시설 특성을 고려한 중성자 흡수재 장기 안전성 평가 기준 제시 - 사용후핵연료 습식저장조 내 흡수재 장기 안전관리 및 규제 근거자료로 활용 - 사용후핵연료 건식저장시설 내 흡수재 안전관리 및 규제 근거자료로 활용 ◯ 가동 원전 경년열화관리계획 평가 세부사항 항목에 새롭게 추가된 중성자 흡수재 감시를 위한 평가 시 참고 및 기준자료로 활용 - ¹⁰B 면밀도 및 흡수재 두께별 열중성자 흡수능 데이터베이스 활용 중성자 흡수능정기 평가 수행 ◯ 국내 사용후핵연료 저장시설 확대로 인한 추가 중성자 흡수재 도입 및 중성자 흡수재 국산화 연구수행 시, 흡수재 평가 시험 실험기반으로 활용 ◯ 본 연구실에서 개발된 ‘사용후핵연료 저장조 장기 안전관리용 전산모사 코드’비교·검증자료로 활용 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 안상준
• 주관연구기관 : 울산과학기술원
• 발행년도 : 20250100
• Keyword : 1. 사용후핵연료 저장시설;중성자 흡수재;중성자 흡수능;조사가속부식;장기 안전성; 2. Storage of spent nuclear fuel;Neutron absorber;Neutron absorbing performance;Irradiation-accelerated corrosion;Long-term safety;

□ 연구개요 수막종은 성인에서 가장 흔한 원발성 뇌종양이며 세계 보건기구 조직 병리학 적 기준 (WHO 1 등급) 에의해 대부분 양성으로 간주됩니다. 현재 의료 영상은 수막종을 포함한 CNS 종양의 감별 진단 및 치료 계획에서 근본적인 역할을 합니다. 작고 안정적이며 양성인 수막종으로 판단되면 긴 추적 기간 동안 관찰되는 대기 및 관찰 방법이 이상적이며 비용을 절약 할 수 있는 옵션이 될 수 있습니다. 반면, 크기가 작더라도 성장 속도가 빠르거나 유전형 검사에서 악성 종양이 의심되는 경우 조기 수술 절제를 적극 권장합니다. 수술의 대안으로 방사선 요법이 수막종의 1차 치료로 수행되기도 합니다. 방사선 요법은 종양이 시신경 수막종과 같은 중요한 신경이나 혈관에 너무 가까워서 일부 절제 할 수 없는 경우, 환자의 수술에 대한 걱정, 혹은 환자의 열악한 건강 상태에 대한 우려로 인해 수술을 받을 수 없는 경우에 종종 시행됩니다. 또한 수막종이 불완전하게 제거되었거나, 높은 등급 및 재발성 종양의 경우, 방사선 요법은 대부분 남아있는 종양 세포를 파괴하고 성장이 재발하는 것을 방지하기 위한 보조 요법으로 수행됩니다. 종양의 영상 특성은 정량적 및 정성적 측정을 사용하여 설명할 수 있습니다. 새롭게 떠오르는 분야 인 Radiomics는 고차원 이미지 정보를 여러 계산 알고리즘을 통해 풍부한 수학적 데이터로 변환합니다. Radiomics는 활발한 임상 사례에 대해서 자동적이며, 재현이 가능하고 및 오류가 없는 평가를 촉진하는 영상 지도를 만들기 위해 대규모 이미징 기능을 활용하는 데 초점을 맞춘 새로운 정량 이미징 분야입니다. 상대적으로 제한된 인간의 시각적 관찰에서 주관적이고 정성적인 해석보다는 영상 데이터를 해석하는 객관적이고 정량적 인 접근 방식을 제공합니다. 이에 비해 영상학적 특징은 영상의학과 전문의가 시각적으로 평가하는 종양 특성 (예: 신호 강도, 뼈 침습, 괴사)입니다. 실제로 영상 분석을 통해 생성되는 엄청난 양의 정보는 시각적으로 인식 할 수 없는 조직 병리학 적 종양 정보에 대한 영상학적 정보를 제공하며 진단, 치료 및 예후에 적용할 수는 기술적 기반을 제공합니다. 우리가 아는 한, 영상 또는 조직 특성 분석을 기반으로 뇌수막종에서 방사선 치료 후 변화를 평가한 연구는 지금까지 보고 된 바가 없습니다. 우리는 일반적인 조영 증강 MRI를 기반으로 방사선 치료 후 수막종의 영상학적 정보 및 영상 특성 변화를 조사하려고 합니다. □ 연구 목표대비 연구결과 관찰군과 방사선 치료군 두 그룹 사이의 수막종의 최대 면적과 직경의 방사선학적 차이는 통계적으로 유의했습니다. 방사선 치료군에서 종양이 감소했습니다. 훈련 세트에서 총 241개의 시리즈와 1691개의 라디오믹스 특징이 추출되었습니다. 단변량 분석에서 24개의 라디오믹스 특징이 두 그룹 간에 유의하게 달랐습니다(P<0.05). 최상의 하위 집합(subset)은 AUC가 0.87인 original-based feature 1개, fisr-order based feature 3개 및 wavelet based features 6개로 다변량 분석에서 유의미한 차이(P < 0.05)를 나타냅니다. 모델을 적용했을 때 AUC는 training set과 validation set에 대해 각각 0.76과 0.79였습니다. 수막종의 경우 방사선 치료 후 더 나은 크기 감소를 기대할 수 있다. MRI를 이용한 라디오믹스 모델은 방사선 치료 후 radiomic features에 상당한 변화를 보였습니다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 기대효과 수막종에 대한 방사선 치료는 양성 수막종 (WHO grade 1)에 대한 크기억제에 효과가 있으나 anaplasticor malignant meningioma에 대해서는 크기 억제에 대한 효과는 크지 않을 확률이 놓으며 방사선 치료의 전후의 영상정보 특성은 wavelet-LLH, original shape, wavelet-LHL등의 변화 및 방사선학적 특징 변화는 대체로 크기 감소 및 조영 증강의 감소 등으로 예상됩니다. 2) 활용방안 방사선 치료 후 유의미한 차이를 보이는 방서선 정보 (Radiomics) 와 영상의학적 특징 (Radiologic appearance)을 확인함으로써 수막종의 치료효과를 예측하는 biomarker을 찾고자 합니다. 이 biomarker가 필요한 이유는 수막종의 치료전후의 조직검사가 용이하지 않기 때문이다. 추후에 biopsy결과가 있는 것과 방서선 정보(Radiomics) 와 영상의학적 특징을 비교하는 추가 연구가 필요할 것으로 사료됩니다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김은수
• 주관연구기관 : 한림대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 라디오믹스;수막종;방사선치료;영상의학;자기공명영상; 2. Radiomics;Meningioma;Radiation therapy;Radiology;MRI;

□ 연구개요 본 연구에서는 위험물 시설의 화재 방호 성능 극대화를 위한 복사열 감쇠 미세물분무 미립화기의 최적화에 대한 연구를 수행하였음. 1차년도에는 자료 및 연구 동향 조사, 미세물분무 미립화기의 분사 특성 측정, 복사열 감쇠 성능 평가를 위한 실험장치 구축과 선행 실험 및 선행 전산시뮬레이션을 수행하였음. 2차년도에는 단일 미세물분무 미립화기를 이용하여 복사열 감쇠 성능 평가 실험 및 전산시뮬레이션을 수행하였고, 이를 통해 분사 특성과 복사열 감쇠 간 상관관계 및 복사열 감쇠 성능 극대화를 위한 최적 조건을 도출하였음. 3차년도에는 미세물분무 미립화기 간 상호작용이 복사열 감쇠에 미치는 영향 파악을 위해 다중 미세물분무 미립화기를 이용한 복사열 감쇠 성능 평가 실험 및 전산시뮬레이션을 수행하였고, 최적 조건을 도출하였음. 이후 본 연구에서 도출한 최적 조건들을 적용하여 실규모 위험물 시설 화재 방호 전산시뮬레이션을 수행하였고, 미세물분무 미립화기에 의한 위험물 시설의 화재 방호 극대화 방안을 제안하였음. □ 연구 목표대비 연구결과 ○ 1차년도 - 미세물분무 미립화기 및 복사열 감쇠 성능 관련 자료 및 연구 동향 조사 - 단일(1개) 및 다중(2개 이상) 미세물분무 미립화기의 분사 특성 측정 실험 장치 구축 및 실험 - 복사열 감쇠 성능 평가를 위한 미세물문부 미립화기의 후보군 선정 - 단일 및 다중 미세물분무 미립화기의 복사열 감쇠 성능 평가를 위한 실험 장치 구축 및 선행 실험 - 미세물분무 미립화기의 복사열 감쇠 성능 평가를 위한 전산시뮬레이션 구축 및 선행 해석 ○ 2차년도 - 단일 미세물분무 미립화기를 이용한 복사열 감쇠 성능 평가 실험 - 단일 미세물분무 미립화기의 복사열 감쇠 성능에 대한 전산시뮬레이션 - 실험 및 전산시뮬레이션 결과를 토대로 미세물분무가 복사열 감쇠 효과에 미치는 영향 검토 - 실험 및 전산시뮬레이션 결과를 토대로 복사열 감쇠 성능 극대화를 위한 미세물분무 최적 조건 도출 ○ 3차년도 - 다중 미세물분무 미립화기를 이용한 미세물분무의 상호작용에 따른 복사열 감쇠성능 평가 실험 - 다중 미세물분무 미립화기의 복사열 감쇠 성능에 대한 전산시뮬레이션 - 실험 및 전산시뮬레이션 결과를 토대로 복사열 감쇠 성능 극대화를 위한 다중 미세물분무 미립화기의 최적 조건 도출 - 도출한 미세물분무 미립화기의 최적 조건을 적용한 실규모 위험물 시설 화재 방호 전산시뮬레이션 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) ○ 미세물분무 특성과 복사열 감쇠 간 상관관계 및 최적 조건 도출 결과는 위험물 시설을 위한 미세물분무 화재 방호 설비의 설계 시 기초 자료로 활용 가능함. ○ 위험물 시설 화재 방호 설비의 화재 및 안전 관련 기준의 개선 및 보완을 위한 자료로 활용 가능함. ○ 전산시뮬레이션 기법의 신뢰성을 확보하고 이를 통해 화재 및 소방 관련 다양한 현상에 대한 정확한 예측이 가능함. ○ 본 연구 결과는 위험물 시설 이외에 선박, 문화재, 박물관, ESS(energy storage system), 지하주차장, 산불 등 화재 확산 방지를 위해 미세물분무 설비를 적용할 수 있는 다양한 대상물에 활용 가능함. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이치영
• 주관연구기관 : 부경대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 미세물분무;복사열 감쇠;위험물 시설;화재 방호;실규모 화재시뮬레이션; 2. Water mist;Thermal radiation attenuation;Hazardous material facilities;Fire protection;Full-scale fire simulation;

□ 연구개발 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 ○ 방사선치료기기 품질관리 안전규제 지침안 개발 ◼ 전체 내용 ○ 입자치료기 품질관리 현황 및 안전규제 고려사항 분석 ○ 방사선치료기기 품질관리 규제 지침안 개발 및 규제 활용성 제고 ◼ 1단계 ❏ 목표 ○ 방사선치료기기 안전규제 주요 고려사항 분석 및 품질관리 규제 지침안 개발 ❏ 내용 ○ 입자치료기 안전성 평가 주요 규제 고려사항(사고의 영향, 방사선 모니터링 등) 분석 ○ 입자치료기 품질관리 국내외 기술현황 검토 ○ 방사선치료기기 품질관리 규제 지침안 개발 ○ 방사선치료기기 안전성 평가 기술 규제 활용 □ 연구개발성과 ○ 입자치료기 품질관리 안전규제 현황 및 주요 고려사항 도출 ○ 국내 치료 방사선 규제 활용(검사) 보고서 도출 ○ 방사선치료기기 품질관리 규제 지침 개발 ○ 안전기술보고서 : 3 건 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 ○ 제도개선 – 원자력안전법 제53조(방사성동위원소⋅방사선발생장치 사용 등의 허가)에 따라 허가받은 100여개의 국내 의료기관과 관련 학회 등 이해관계자 의견을 청취하고자 함. 국내 품질관리 안전규제에 관한 지침은 향후 방사선 규칙(제3절 의료분야의 안전관리) 및 원자력안전위원회고시 제2019-06호(의료분야의 방사선 안전관리에 관한 기술기준) 개정 시 활용할 수 있음 ○ 현장적용 – 규제 경험 피드백을 반영하여 현장에 적용 가능한 품질관리 지침안을 도출하고 현장 검사시 활용하고자함 – 입자치료기 심검사 시 안전성 평가 필수 항목인 사고의 위험 및 대책, 방사선 감시 방안 등 본 연구의 분석 보고서를 참고 가능함 (예. 서울대학교병원에서 추진 중인 중입자 치료시설, 2025년까지 5개 이상 도입 예정인 양성자 치료시설 등) ○ 기대효과 – 고선량 치료방사선기기에 대한 규제 지침 개발은 규제 검사의 신뢰성과 일관성을 유지하며 효율적인 규제 이행에 도움이 될 것으로 예상함 – 첨단 의료기술의 선두를 이끄는 대형 치료방사선기기의 안전한 이용 문화 정착과 의료방사선 사고피폭을 예방할 수 있을 것으로 기대함 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김지영
• 주관연구기관 : 한국원자력안전기술원
• 발행년도 : 20240400
• Keyword : 1. 방사선 치료기기;품질관리;규제검증;규제방법론;지침; 2. Radiation Therapy Machine;Quality Control;Regulatory Verification;Regulatory Methodology;Guideline;

□ 연구목적 자기장에 영향을 받는 전기적 성질을 가진 유체의 움직임을 기술하는 비선형 편미분 방정식인 MHD 방정식의 해의 해석적인 성질에 대해 연구한다. 자기유체에 대해 수학적인 이론 연구를 통해 지식의 확장을 목표로 하며 이는 응용연구와 기술 개발에 기반이 된다. □ 연구내용 MHD 방정식의 압력의 음의 부분과 베르누이 압력의 양의 부분 그리고 속도, 자기장, 압력의 적절한 선형 결합으로 약해의 새로운 정칙성 판정법을 개발한다. 유계인 영역에서 약해와 강해의 일관된 이론을 정립한다. 특히 자기장에 대해 불침투성 경계조건을 고려한다. 이 때, 정상상태와 비정상상태의 해를 모두 고려한다. 점성이 있는 비압축성 유체가 구멍을 메운 물체의 움직임을 묘사하는 일관성 있는 수학적 모델을 만들어 존재성 이론을 발전시킨다. 비압축성 도전성 미세 극성 유체의 흐름에 대한 수학적 모델을 개발하고 정성적인 성질들을 유도한다. 해의 중요한 해석적 성질 중의 하나인 리우빌 정리를 개발한다. □ 연구결과 MHD(자기유체역학) 방정식은 나비에 스톡스 방정식과 맥스웰 방정식이 결합되어 있어 수학적인 분석이 어렵다. 이는 옴의 법칙과 패러데이 법칙을 결합함으로써 더 복잡한 형태로 기술된다. 우주 플라즈마, 별의 형성, 중성자성과 같은 실제 물리적 현상을 수학적으로 기술하는데 사용된다. 이런 현상을 이론적으로 분석하기 위해서 MHD 방정식의 해의 존재, 유일성, 및 정칙성에 대한 수학적 진전이 필요하다. 이 연구에서 MHD 방정식의 해의 존재성을 다양한 경계조건에서 연구하였다. 이를 위해 실제 물리적 관찰과 부합하는 경계조건을 고려하는 것이 필요하다. 미세극성유체의 해의 해석적 성질을 위한 에너지 부등식 유도하였고 압축성 유체이론으로 확장에 대한 연구를 진행하였다. 이러한 비선형 편미분 방정식을 해석적인 분석을 위해 유일성과 관련된 연구 나비어 스톡스 방정식의 해의 리우빌 정리에서 출발하여 MHD 방정식, Hall MHD 방정식, 미세극성방정식, 그리고 압축성 유체의 리우빌 성질에 대한 연구를 하여 논문으로 출판하였다. □ 연구결과의 활용계획 초기경계면에서의 자기유체 방정식의 해에 대한 연구는 자연과학 및 핵공학 분야에서 널리 활용된다. 이 방정식은 천체물리학, 지구과학, 그리고 핵융합 발전 연구에 필수적이다. 특히, 플라즈마 안정화를 위해 필요한 강한 자기장에 대한 이해는 핵융합 발전에 필수적이다. 자기유체 방정식의 해의 유일성이 보장되지 않아 수치기법 적용에 어려움이 있다. 이 연구는 해의 존재성, 유일성, 정칙성에 대한 수학적인 진전을 통해 이러한 어려움을 극복하는 데 활용될 수 있다. 기초연구의 발전은 인류의 기술 발전을 촉진하는 역할을 한다. MHD 방정식에 대해 기본적인 이해와 지식을 증진하고 이는 후속 연구의 기반이 된다. (출처 : 연구결과 요약문 (국문) 3p)

• 연구책임자 : 양민석
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240200
• Keyword : 1. 자기유체방정식;정칙성 판정법;압축성유체;미세극성;경계조건; 2. MHD equations;regularity criterion;compressible fluid;micropolar;boundary condition;

□ 연구개요 • 본 연구에서는 백내장의 진단 지표인 수정체의 이상 정도를 조기에 체크하고, 백내장 치료 시점을 정확하게 예측하기 위해 초음파의 음향 방사력을 이용해서 수정체의 혼탁 및 경화 정도를 정밀 진단 할 수 있는 핵심 기술을 개발함. 이를 위해 조직의 탄성을 측정할 수 있는 초음파를 이용해서 수정체의 혼탁 및 경화 정도를 측정 할 수 있는 새로운 메커니즘을 개발하고, 본 연구팀이 확보한 분할 초점 초음파 프로브 기술을 수정체 탄성 진단에 적용 시켜 개발된 메커니즘의 성능최적화를 통해 백내장 진단시 실시간으로 수정체 상태 정보를 제공 하는 것을 목표로 함. □ 연구 목표대비 연구결과 • 초음파 탄성 기반 수정체 혼탁 및 경도 측정 메커니즘 개발을 위해 초음파 기반수정체 혼탁 기전 연구를 수행한 결과, 수정체의 혼탁 및 경화에 의한 변화를 일반적인 초음파 B-mode (brightness mode)로 검출하기 어려움을 확인함. 이에 탄성 영상의 일종인 음향방사력 기반 임펄스 (impulse) 초음파 영상 (acoustic radiation force impulse, ARFI) 영상을 구현해서 수정체의 경도 변화를 성공적으로 측정 했으며, 성능 최적화를 위해 분할 초점 초음파 변화자 기반 위상 반전 기술 및 컴파운딩 기술을 사용해서 화질을 크게 개선시킴. • 위상 반전 및 컴파운딩 기술 기반 수정체 혼탁 및 경도 측정용 초음파 프로브 개발을 위해 5 MHz 및 10 MHz의 분할 초점 초음파 프로브를 설계하고, 시작품을 제작함. 제작된 초음파 프로브를 사용해서 수정체의 혼탁 및 경도 측정을 위한 ARFI 영상을 성공적으로 획득했으며, 초음파 B-mode 영상이 제공 할 수 없는 수정체의 biomechanial 한 특성을 제공함을 확인함. 특히, 특수 설계된 fixture를 사용해서 분할 초점 초음파 프로브의 제작 공정을 최적화시킴. • 초음파 탄성 신호 향상을 위한 펄스 압축 신호처리 알고리즘 및 모듈 개발을 위해 분할 초점 초음파 프로브에 적합한 Chirp신호 및 비정합필터를 사용한 알고리즘을 개발함. LabVIEW 프로그램 기반으로 안구의 전체 영상을 구현함으로써, 수정체의 혼탁 및 경도 측정이 가능한 모듈을 구현함. 개발된 메커니즘, 프로브, 신호처리 알고리즘, 모듈 통합 후 연동 시험을 수행하고 유의미한 결과를 획득함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) • 초음파 음향 방사력 기반 탄성영상을 이용한 수정체 혼탁 및 경도 측정 핵심 기술들은 초음파 기반 백내장 진단 시스템 개발의 가능성을 크게 높였기 때문에 추후 추가적인 정량적 수치화 연구, 안정성 연구, 그리고 in-vivo 실험등을 통해서 보다 진단의 신뢰성을 높일 필요가 있음. 이후, 기술 이전을 통한 신제품이 출시되면 기존 안질환 측정 의료기기 시장을 잠식 할 수 있으며, 새로운 시장 개척도 가능 할 것으로 사료됨. 환자의 불편함을 최소화 하고, 진단 시간을 획기적으로 줄이며, 정확도를 향상 시킬 수 있는 본 기술은 병원용 벤치 타입 뿐만 아니라 휴대용 의료기기에 응용되어 제품화가 가능함. • 압전소자 분할 초점 기법을 이용한 고성능 프로브 제작 기술은 안과 외에 일반적인 진단용 고주파수 초음파 프로브 및 고강도 집속 초음파 치료용 프로브 등과 같이 다양한 초음파 응용 분야에 적용될 수 있으므로 관련 산업 성장 및 초음파 프로브 산업의 기술적인 경쟁력 확보가 가능함. • 초음파 탄성을 이용한 수정체 혼탁 및 경도 측정 기술은 환자에게 통증이나 긴장감 같은 불편함을 덜어주고 진단 시간을 크게 줄여주며, 정확도를 높일 수 있기 때문에 효율적인 백내장 진단을 가능하게 해주고, 적절한 치료 시기 선정에 기여가능 하므로 국민 건강 증진에 이바지 할 수 있음. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 정종섭
• 주관연구기관 : 동국대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 초음파;프로브;탄성;백내장;수정체; 2. Ultrasound;Probe;Elastography;Cataract;Lens;

□ 연구개요 본 연구는 저선량 방사선조사가 항염증효과를 나타내는 기전을 규명하고 임상연구 프로토콜을 개발하는 연구로 총 3년으로 계획되었음. 1차년도에는 저선량 방사선조사의 항염증효과 확인을 위한 적절한 동물 모델 탐색 및 구축하고자함. 2차년도는 저선량 방사선조사의 항염증효과 기전 규명 및 최적효과 프로토콜 탐색하고자함. 3차년도에는 전임상실험 결과를 바탕으로 임상연구 프로토콜을 개발하고자함. □ 연구 목표대비 연구결과 1) 1차년도: 저선량 방사선조사의 항염증효과 확인을 위한 적절한 동물모델 탐색 및 구축 - LPS의 기도삽관 및 기도절개 주입 방법 비교 예비실험을 통해 ALI 마우스 모델을 구축하고 저선량 방사선조사에 따른 항염증 억제 효과 확인을 위해 생존률 조사 및 폐렴 형성과 완화 과정을 CT로 실시간 측정하고 폐조직 분리 후 H&E 분석을 통해 염증 반응 양상을 확인하였음. 2) 2차년도: 항염증효과 기전 규명 및 최적효과 프로토콜 탐색 - LPS와 Bleomycin 염증 유도 효과를 비교하고 기도삽관 및 기도절개 주입법 차이를 비교하여 최종적으로 빛을 이용한 기도삽관으로 마우스 모델을 고도화하였음. - 0.5 Gy와 1 Gy 저선량 방사선조사의 염증 억제 효과 및 LPS 주입 후 24, 48, 96시간을 비교하여 방사선 조사조건의 변화에 따른 폐염증반응을 평가하였음. - 폐조직에서 싱글셀 준비 테스트로 BALF에서 세포수 및 세포생존율을 비교하고 면역세포 분포와 사이토카인 수치를 확인하였음. 3) 3차년도: 전임상실험 결과를 바탕으로 임상연구 프로토콜을 개발 - 폐조직에 대한 싱글셀데이터 생산 및 분석을 수행하였음. - 싱글셀 전사체 데이터 분석 결과를 기반으로 저선량 방사선에 의한 면역세포의 세포 단위별 영향과 기전을 확인하였음. - 전임상 데이터를 기반으로 임상 연구 프로토콜 작성하였음. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 기술적 측면: COVID-19의 전세계적 유행에 따라 저선량 방사선이 ARDS/ALI에 있어 임상적 효용성이 있을 수 있다는 조기 임상 결과가 발표되고 있지만, 이러한 항염증효과의 기전에 대해서는 아직 정확히 모름. 이는 중개연구로서 임상 -> 기초기전 연구의 필요성을 제기하였고, 본연구를 통한 기초자료는 다양한 염증성 질환으로 확대될 수 있음. 2) 경제적 측면: ALI/ARDS 관리를 위한 인한 중환자실 입원 기간의 감소 그리고 이로 인한 사망률 감소는 환자 및 병원 모두에 부과되는 경제적 부담을 줄여, 장기적으로는 국민 전체 중증 의료비 감소로 이어질 수 있음. 3) 임상적 측면: 치사율이 높은 ALI/ARDS의 치료 효과가 검증될 경우 이는 기존 ALI/ARDS의 관리법에 있어 중요한 발전이 될 수 있음. 또한 저선량 방사선치료의 항염증효과의 기전이 규명되면, 이를 활용하여 그 외 다른 염증성 질환, 예를 들어 염증성장질환의 급성 악화, 자가면역질환의 급성 악화, 골관절염의 급성 악화 등 다양한 형태의 항염증 효과에 활용될 수 있음. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 오동렬
• 주관연구기관 : 삼성서울병원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 저선량방사선;급성페손상;염증반응;면역반응;단일세포분석; 2. Low-dose radiation therapy;Acute lung injury;Inflammation response;Immune response;Single cell RNA sequencing;

□ 연구개요 류마티스 관절염은 난치성 자가면역질환으로 현재까지 류마티스 관절염을 완치시키는 약물은 없고 현재 사용중인 제제들은 항염증에 의한 면역반응의 정상화에 초점을 맞춘 약물들로 면역반응 조절만으로는 근본적인 치료 효과를 얻지 못하고 있으므로 근본적인 치료를 위한 새로운 표적 및 소재 발굴을 통해 효과적인 예방 및 치료법의 개발이 필요한 상태임. 본 연구의 목적은 파골세포(osteoclast) 분화억제를 류마티스 관절염 치료를 위한 신규 표적으로 활용하여 raw milk 유래 기능성 균주인 Propionibacterium freudenreichii 표면 단백질 중의 60 kDa chaperonin(Cpn60)이 RANKL (receptor activator of nuclear factor-κB ligand)의 receptor인 파골세포 표면의 RANK의 발현을 억제하는 새로운 moonlighting function을 확인하였으므로 Cpn60에 의해 파골 전구세포가 RANKL/RANK 신호전달 경로를 통해 파골세포로 분화되는 것을 억제하는 기전을 규명하고 류마티스 관절염을 개선하는 효과를 증명하여 류마티스 관절염 개선을 위한 기능성 소재 개발에 적용할 수 있는 결과 도출이 목표임. □ 연구 목표대비 연구결과 1) Chaperonin 60의 파골세포 분화억제에 대한 in vitro 연구 가. P. freudenreichii의 Cpn60 유전자 정보에 의한 recombinant Cpn60 제조 및 특성 확인 나. Cpn60의 파골세포 분화 관련 유전자들의 발현량 감소로 파골세포 분화억제 효과를 확인 다. Cpn60 처리에 의해 파골세포의 분화 마커인 tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) 효소의 활성이 감소함 2) Chaperonin 60의 파골세포 분화 억제 기전 연구 가. Cpn60이 RANKL와 결합하여 RANK/RANKL complex 형성을 저해함을 확인 나. 단백질 도킹 분석을 통해 Cpn60이 RANKL와 결합하는 amino acid residues 확인함 다. 유전자 오믹스 분석을 통해 Cpn60이 파골세포 분화 관련 신호전달 인자 및 관련 전사인자들의 발현을 유의하게 감소시킴을 확인 라. 유전자 및 단백질 발현 분석을 통해 lipocalin 2가 Cpn60에 의한 파골세포 분화와 관련된 인자임을 확인 마. Cpn60이 RANK/RANKL complex 형성을 저해하여 하위의 신호인자 및 전사인자들의 발현을 억제함으로써 궁극적으로 파골세포 분화를 억제하는 기전을 규명함 3) Chaperonin 60에 의한 관절염 예방 효과 in vivo 효과 검증 가. Collagen-induced arthritis mouse (CIA) model에서 Cpn60 투여에 의해 관절염 질환 지수 감소 및 관절의 변형, 염증 완화 효과 확인 나. Cpn60 투여에 의해 콜라겐 항원 특이적 IgG, IgG1, IgG2 항체 농도 감소 확인 다. Cpn60 투여에 의해 항염증 효과 확인: 염증성 IL-6, TNF-α 발현 감소 및 항염증성 IL-10 발현 증가 확인 라. Cpn60 투여에 의해 CIA 관절에서의 파골세포 분화억제 효과 확인 4) 연구목표대비 연구 결과: 100% 달성 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 연구개발과제의 활용방안 가. Cpn60의 새로운 moonlighting function 확인으로 달빛 단백질의 질병 개선 연구에 활용 나. 류마티스 관절염뿐만 아니라 파골세포와 관련된 골다공증 및 염증성 질환 예방 및 치료등 기능성 확장 연구에 활용 다. 식품용 프로피온산균을 이용한 류마티스 관절염 개선 제품 개발 시 유효성분 및 유효성분에 의한 개선 효과 기전 제시 근거 자료로 활용 라. 류마티스 관절염 개선에 대한 지식재산권 확보에 활용 마. 난치성 자가면역질환인 류마티스 관절염 환자의 치료비 증가에 대한 대책으로 활용 2) 연구개발과제의 기대효과 가. 부작용이 많은 anti-cytokine 의약품의 대체 효과 기대 나. 식·의약 소재로 개발하는데 필수적인 과학적 기전 확보로 인해 기능성 식품소재의 개발뿐만 아니라 기능성 미생물 유래 의약품 산업의 연구 확대로 파급 효과가 기대됨 다. 과학적 기전 규명으로 안전성이 확보된 기능성 균주 유래 단백질의 질병 개선 효과의 극대화 및 소재에 대한 신뢰도 상승이 기대됨 라. 지식재산권 확보로 산업화가 기대됨 3) 연구개발 결과의 중요성 본 연구 결과는 현재 고령화로 인해 증가 추세인 류마티스 관절염을 개선하기 위한 예방 및 치료제 개발에 적용할 수 있는 결과이며 chaperonin 단백질의 새로운 기능성을 발견한 결과로 파골세포 분화억제 및 염증성 질환의 개선에 적용할 수 있는 기전을 규명하였으므로 기능성을 확장하여 연구할 수 있는 파급효과가 큰 연구 결과로 생각됨 (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 임영희
• 주관연구기관 : 고려대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 류마티스관절염;샤페로닌;달빛단백질;프로피온산균;단백질 도킹; 2. rheumatoid arthritis;chaperonin;moonlighting protein;propionic bacteria;protein docking;

□ 연구개요 • 지구 방사선대 형성과 진화에 관한 최근까지 학계를 주도하는 패러다임에 따르면 whistler mode chorus 파동이 electron 가속을 유발하고 그 결과 다량의 MeV electron을 생성하여 지구 방사선 벨트 형성을 주도하는 것으로 알려져 왔음. • 본 연구에서는 이러한 기존의 패러다임과 달리 방사선 벨트 형성에 대한 새로운 해석을 제안하고 검증하려는 것이 주요 목적 □ 연구 목표대비 연구결과 • 주요 목표: 자기권 꼬리 지역에서 magnetic reconnection이 발생하면 bubble type의 bursty plasma jet을 방출하고 이는 지구 쪽으로 향하는 bubble transport에 의해 수 keV ~ 수 MeV electron 입자들을 방사선 벨트 지역에 직접 공급하여 (즉, 일종의“bubble injection”형태를 통해) 방사선 벨트 전자 플럭스가 직접적으로 증가할 수 있음을 제안하고 이에 대한 종합적 검증을 수행 • 연구 결과: ▷ 지구 방사선대를 관통하는 쌍둥이 위성인 RBSP 관측을 이용하여 bubble injection에 의한 방사선 벨트 직접 형성에 대한 사건들 발견에 성공 ▷ 이러한 방사선 벨트 형성은 매우 빠르고 계단식의 전자 플럭스 증가 형태로 진행됨을 설명함. ▷ 특히, substorm 발생이 시리즈로 연달아 발생할 때 방사선 벨트의 계단식 증폭이 명확한 경우들을 발견하여 증거로 제시함. ▷ 그간 잘 알려진 여러 플라즈마 파동의 효과를 test particle 및 quasi-linear diffusion 시뮬레이션을 통해 정량적으로 평가하고 기여도를 제시함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) • 연구의 최종 결과는 향후 후속 연구 주제를 구성하고 석박사과정 대학원생 등 후학들의 관련 연구 주제로 이어가는데 활용 할 예정 • 지구 방사선 벨트뿐만 아니라 목성, 토성 방사선 벨트 연구에도 비슷한 관점에서 중대한 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상되어 행성 자기권 과학 분야의 후속 연구 주제로 활용 기대 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이대영
• 주관연구기관 : 충북대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선 벨트;서브스톰;파동-입자 상호작용;지구 자기권;위성 현장 관측; 2. Radiation belt;Substorm;Wave-particle interaction;Earth’s magnetosphere;Satellite in-situ observations;

□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 본 연구과제의 최종 목표는 인간 활동에 따른 북극 증폭 및 연관된 기후 시스템의 과거 변화 및 미래 전망을 종합적으로 이해하는 것이다. 지속적인 온실가스 배출에 따른 관측된 과거 수십 년간의 북극 증폭 및 기후시스템 변화를 이해한다. 또한, 다양한 미래 온실가스 배출 경로/전 지구 온난화 강도에 따른 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템의 미래 변화를 전망하고, 동반되는 불확실성의 원인을 이해하고 감소시킨다. 기후 대응 시나리오 (대기중 온실가스 제거, 태양복사 강제력 감소 등)을 고려한 기후 모델 실험에서 나타나는 미래 북극 증폭 및 연관된 기후 시스템의 변화를 전망하고 특성을 이해한다. ◼ 전체 내용 본 연구과제는 과거에 나타난, 또한 미래에 나타날 북극 증폭 및 연관된 북극 기후 시스템의 변화 및 메커니즘을 통합적으로 이해하는 것을 목표로 한다. 먼저 관측 및 재분석 자료를 활용해 과거 (20세기 중반부터 현재까지) 북극 증폭의 장기 변동을 분석한다. 관측된 변화에 대한 Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) 다중 기후 모델의 성능을 분석하고 기후 모델에서 나타나는 변화를 연구한다. 또한 개별 외부 강제력(온실가스, 화산 활동 등)이 북극 증폭 및 연관된 기후 시스템 변화에 미치는 영향을 연구한다. 기후 모델 실험 자료를 활용하여 미래 전망에서 나타나는 북극 증폭 및 관련 물리 과정의 변화를 연구한다. 공통사회경제경로 시나리오에서 나타나는 미래 변화를 이해한다. 또한, 파리기후변화협약에 따른 목표 전지구 온난화 달성 시 나타나는 북극 증폭을 이해한다. 더욱이, 기후 모델 실험에서 나타나는 북극 기후 미래 전망의 불확실성 원인을 이해하고 emergent constraint와 같은 최신 통계 기법을 활용하여 이를 감소시킨다. 더 나아가, 대기 중 온실가스 제거, 태양 복사 강제력 감소 등 다양한 기후 변화 대응(기후공학) 전략을 도입한 기후 모델 실험에서 나타나는 북극 증폭 및 관련 기후 시스템의 변화를 전망하고 이의 물리 과정을 이해한다. ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 본 연구과제의 1단계 연구 목표는 과거 및 미래 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템의 변화 이해하는 것이다. 과거 나타난 북극 증폭을 연구하고, 기후 모델 실험의 모의 성능을 평가한다. 이와 함게, 과거 나타난 북극 증폭 현상에 대한 온실가스 등 각 외부강제력의 영향을 파악한다. 더 나아가, 기후 모델 시뮬레이션의 미래 전망을 활용하여 미래 나타날 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템 변화, 그리고 물리 과정을 이해한다. 미래 전망에 동반되는 불확실성의 원인을 이해하고 이를 감소시킨다. 21세기 공통사회경제경로 시나리오에서 나타나는 미래 전망을 위주로 연구하며, 파리기후변화협약에 따른 목표 전 지구 온난화 수준 달성 시 나타나는 북극 증폭을 함께 연구한다. Emergent constraint와 같은 통계 기법을 통해 미래 전망이 갖는 기후 전망 불확실성을 감소시켜 보다 신뢰도 높은 미래 기후 전망 결과를 제시한다. ❏ 연구 내용 과거 수십 년간 관측에서 나타난 북극 증폭 현상을 이해하고 장기 변동을 연구하였다. 장기 추세를 위주로 연구했으며, 이에 대한 Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) 다중 기후 모델 실험의 성능을 평가했다. 또한, 기후 모델 실험 결과를 활용하여 온실가스, 에어로졸과 같은 개별 외부 강제력의 과거 관측된 북극 증폭 현상에 대한 영향을 이해했다. 또한, 과거 대형 화산 폭발이 북극 기후 시스템에 미친 영향을 연구하였다. 다양한 사회적 기후변화 적응 및 완화 경로를 고려한 공통사회경제 경로 시나리오 실험에서 나타나는 북극 증폭을 전망했으며, 관련된 물리 과정(대기-해양-빙권 상호작용)을 이해했다. 또한, 파리기후변화협약에 따른 목표 온난화 (1.5°C, 2.0°C) 달성 시 나타나는 미래 북극 증폭 및 관련 기후 시스템 변화를 이해했다. 기후 모델 실험 결과를 통해 얻은 미래 전망의 불확실성 요인을 이해하는 연구를 수행했다. 특히, Emergent constraint와 같은 보다 최신 통계 기법을 활용해, 불확실성을 감소시키는 연구를 수행하여 보다 신뢰도 높은 미래 전망 결과를 생산하였다. 특히, 다변수를 통한 emergent constraint 분석 방법론을 개선 및 활용하여 보다 신뢰도 높은 결과를 제시했다. 이러한 통계적 방법론을 개발하고, 기후 대응 시나리오 실험에 대한 공동연구를 위해 University of Melbourne에 2,3차년도에 총 5개월 정도 방문 연구를 했으며, 이를 통해 공동 및 협력 연구들을 수행하였다. 2단계 연구 계획인 기후대응 시나리오에 따른 북극 증폭 현상 및 연관된 기후 시스템 변화에 대해 일부 1단계에서 연구하였다. ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 본 연구과제의 2단계 연구 목표는 기후위기를 완화시키기 위한 기후대응 시나리오를 고려한 미래 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템 변화를 전망하는 것이다. 특히 (1) 대기 중 온실가스 제거 (carbon dioxide removal), (2) 태양복사 강제력 감소 (solar radiation management) 방법론을 기반으로 한 기후대응 실현 시 북극 증폭 및 북극 지역에서 나타나는 기후변화를 이해한다. ❏ 연구 내용 기후 대응 시나리오 (net-zero 배출 탄소 배출량 감소, 태양 복사 강제력 감소)을 고려한 기후 모델 실험에서 나타나는 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템 변화를 연구한다. 첫 번째로, 온실가스의 급격한 증가 후 급진적 감소를 보이는 시나리오 실험에서 나타나는 변화를 연구한다. 이는 Community Earth System Model version 1 기후 모델의 다중 앙상블 실험 결과를 활용하여 연구한다. 또한, Carbon Dioxide Removal Model Intercomparison Project에서 제공하는 다중 기후 모델 결과를 활용한다. 또한, 온실가스의 급격한 증가 후 탄소 중립을 달성하는 시나리오에서 나타나는 미래 변화를 연구한다. 두 번째로, 태양복사 강제력 감소를 통한 지구 공학 수행에 따른 북극 증폭/기후 시스템 변화를 연구한다. Geoengineering Model Intercomparison Project의 기후 모델 자료를 활용하여 연구를 수행한다. 특히 기후 대응 방법론에 따른 북극 증폭 및 기후 시스템에서 나타나는 부작용 및 비선형적 반응을 연구한다. □ 연구성과 본 연구자는 1단계 기간 동안 연구과제의 계획 및 목표에 따른 연구를 수행하였다. 북극 증폭 및 기후 시스템의 과거 변화를 이해하고, 미래 전망을 연구했으며, 미래 전망에서 동반되는 불확실성의 원인을 밝혔다. 개선된 최신 통계 분석 방법론을 활용해 미래 전망 불확실성을 감소시켰다. 또한 온실가스, 화산 폭발 등 외부 강제력에 따른 북극 증폭/기후 시스템의 변화를 연구하였다. 더 나아가, 2단계에서 계획된 탄소 배출량을 감소시키는 기후 대응 시나리오 모델 실험을 활용해 북극 증폭을 연구하였다. 북극 증폭의 시간에 따른 변화를 연구하였으며, 또한, 북극 증폭을 일으키는 주요 원인 중 하나인 atmospheric river의 탄소 배출량 감소에 따른 변화를 연구하였다. 이러한 연구 활동들을 통해 1단계 기간에 총 3편의 연구 논문을 해당 연구과제 사사를 포함하여 출판하였다. 향후 2단계 기간 동안 탄소중립 등을 고려한 탄소 배출량 감소, 태양복사 강제력 감소 등 기후위기 대응 시나리오를 고려한 기후 모델 실험에서 나타나는 북극 증폭 및 관련된 기후 시스템 변화의 미래 전망을 연구할 것이며 3편의 연구 논문을 해외 상위 저널에 추가로 출판하고자 한다. □ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과 본 연구과제 수행을 통해 북극 전망 및 연관된 기후 시스템의 변화에 대한 이해를 한층 더 도약시킬 것이다. 특히 체계적인 과거 및 미래 전망, 그리고 동반되는 미래 불확실성에 대한 연구는 통합적인 통찰력을 증진시키고, 미래 기후 시스템 변화 전망에 대한 중요 지표로 쓰일 것이다. 미래 전망의 불확실성을 감소시킴으로써 미래 전망 신뢰도를 증가시키며, 향후 기후변화 적응 및 완화를 위한 정책 수립에 큰 기여를 할 것이다. 이와 함께 다양한 기후 대응 시나리오에 따른 북극 기후 시스템 변화에 대한 종합적 이해를 기반으로 미래 기후변화 전망에 대한 다양한 지표를 제공하고 중요 정책 수립에 활용할 수 있다. 2단계 연구를 통해 기후위기를 극복하기 위한 기후 대응 시나리오에 따른 미래 전망을 분석함으로써 북극 증폭/기후 시스템의 미래 변화를 종합적으로 이해할 수 있을 것으로 기대한다. 다양한 시나리오에 따른 변화를 연구하여 기후 대응 시나리오(탄소 배출량 감소, 지구공학 등) 정책 수립의 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 백승목
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 북극 증폭;북극 온난화;지구 온난화;기후변화;미래 전망; 2. Arctic amplification;Arctic warming;Global warming;Climate change;Future projection;