Ⅳ. 연구개발결과 ○ 제 1세부: 웹기반 방사능오염 예측 시스템 구축 웹기반 방사능 오염예측 시스템의 가장 근간이 되는 모듈은 대기 및 해양으로 누출된 방사성물질의 이동경로를 예측하는 모델이다. 이를 위하여 4차 원자력연구개발 사업을 통하여 한국원자력연구원에서 개발한 대기확산모델 LADAS와 해양확산모델 LORAS가 채택되어 시스템에 탑재 되었다. 웹기반 방사능 오염예측 시스템에서는 사고 시 방사성핵종의 선원항을 입력하면 우선 대기확산모델을 운영하여 대기, 육지 침적량 및 해수면 침적량을 계산한 후 이들 자료를 DB에 저장하고, 해양확산모델에서 DB에 저장된 해수면 침적량 자료를 자동으로 연계하여 해양확산을 평가할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 본 과제에서 구축하고 있는 웹기반 방사능오염 예측 시스템은 실시간 기상자료를 이용하여 현업 수준에 이르는 신속한 평가를 진행해야 하므로 계산 속도의 극대화를 위해 초고속 병렬 클러스터의 사용이 필요하다. 실시간 방사능오염 예측평가를 현업 수준으로 신속하게 진행하기 위해서는 고속 병렬 수치계산, 대용량 데이터 고속 전송 및 대용량 스토리지가 뒷받침되어야 하며 이를 위해 최적화된 병렬 연산이 가능한 수치모델과 인피니밴드(InfiniBand)에 기반한 계산노드간 대용량 고속 데이터 전송이 요구된다. 상기의 조건을 만족하는 안정된 독립 시스템을 구축하기 위해 웹기반 방사능 오염 예측 시스템 계산용 초고속 병렬 클러스터 시스템을 구축하였다. 시스템내 대기 및 해양확산모델 연산속도 향상을 위하여 모델을 병렬화하였는데, 지구규모 대기확산모델에 적용하였을 때 사용한 CPU 코어 수에 따른 모의실험 연산시간 변화를 평가해 보면 투입한 계산자원 대비 효율이 가장 높은 최적화된 CPU 코어 수는 대략 28~32개 사이임을 알 수 있고 이에 따라 웹기반 방사능 오염 예측 시스템에서 유관 정부기관(사용자) 당 28코어 혹은 계산노드 1대를 배정하는 것이 효율적이 판단된다. 고속 병렬 수치계산의 최적화는 우선 수치모델 자체의 모델/코드 최적화와 컴파일러 및 시스템 구조/설정 상의 최적화를 통해 현업 수준의 신속한 계산이 가능한 일정한 수준까지 진행할 수 있으며 computational resource의 분배를 조정하여 실시간 방사능오염 예측평가에 적용할 수 있다. 또한, 일정 수준 이상의 최적화를 진행하기 위해서는 수치모델의 각 모듈별 개별 최적화와 함께 전/후처리 모듈 최적화 및 전체적인 연산속도 향상을 위한 모듈을 추가로 구축하는 방법이 있다. 본 연구에서는 이를 위해 대기 및 해양 확산 수치모델의 모듈에 대한 개별적인 최적화와 시스템 계산자원 분배 최적화를 포함해 이를 포괄적으로 지원하는 연산속도 향상 모듈을 구축하여 고성능 병렬 클러스터의 연산속도를 향상 시켰다. 방사능 오염예측 시스템 내 환경으로 누출된 방사성물질에 의한 내부 및 외부 방사선량 평가모듈과 오염된 농수산물 섭취에 따른 섭취선량 평가모듈을 구축하여, 방사성물질의 대기 및 해양 환경내로 확산 이후 인체 피폭선량 평가와 오염된 음식물의 섭취에 따른 위해도를 평가하는 모듈을 구축하였다. 최종적으로 본 연구에서는 대용량 자료 처리 및 연동모듈 개발, 확산모델 병렬화, 웹기반의 GUI 구성, 계산결과의 가시화, 사용자 적정 코아수 배분 및 시스템 계산자원 분배 최적화 모듈 등의 1단계 웹기반 방사능오염 예측 시스템을 구축하였다. ○ 제 2세부: 휴대용개인방사능오염측정키트 시제품 개발 및 성능인증시스템구축 생활주변 환경에 대한 방사능오염을 감지할 수 있을 정도의 성능과 민감도를 갖고, 핵종분석이 가능하여 인공방사능 판별이 가능하고, 고성능·저가의 상온반도체 센서기반 휴대용 방사능 오염측정기를 TRL9 수준으로 개발하였다. 최근에 군사용에서 해제된 화합물반도체 CdZnTe 방사선센서 기술을 적용하여 효율적인 핵종분석기술을 통한 인공방사능 판별 구현하였으며, 일반적인 저가의 CdZnTe 방사선센서 크리스탈 (1 cm × 1 cm ×0.5 m) 에 Coplanar grid 전극 2 개를 사용하여 감마선의 위치를 감지하는 민감형 오염측정기를 구현하여 획기적인 에너지 분해능(2.7 % FWMH;Cs-137의 662 keV 감마라인)을 달성하였다. 본 기술을 적용하여 10 만원 이하의 저가의 계수용 CdZnTe 방사선센서 크리스탈을 사용하여 300 만원 이상의 고순도 분광분석용 방사선센서와 유사한 에너지 스펙트럼 측정능을 가진 측정기를 개발하였다. 여러 저노이즈·고속 신호처리, 저전력소자, SoC 집적기술, 그리고 오픈 하드웨어와 오픈소프트웨어소스를 적용하여 휴대성 강화 및 저비용제작 가능한 완제품을 개발하였다. 이미 상용된 방사능오염측정기의 성능인증서비스를 위해 국제규격에 적합한 방사능오염측정기 성능시험시스템 및 공인 인증체계를 구축하였으며, 9 개의 성능시험 항목별 절차수립, 최소 검출방사능시험기술개발, 단일광자민감도 시험을 위한 고속 디지털신호처리시스템을 구축하였고, 개발된 완제품 시제품에 대하여 성능시험을 시범 실시하여 시험절차서 품질시스템 등록 및 시험성적서 발급을 완료하였다. ○ 제 3세부: 방사능 식물정화기술 개발 기존에 세슘제염 후보식물로서 알려진 해바라기 대비 Cs 제염 효율이 우수한 새로운 자생식물체로서 색동호박을 선발하였으며, 선발된 자생식물을 이용하여 세슘 제염효율을 분석하여 보았다. 이 때. 비교 시험된 다른 자생식물 대비 색동호박의 Cs 흡수율이 가장 우수하였는데, 특히 색동호박은 specific Cs uptake (128μg/10mg) 및 total Cs uptake (5,149μug) 모두에서 가장 우수한 양상을 보였다. 기존의 잘 알려진 해바라기가 specific uptake가 29μg/10mg, total uptake가 509μg인데 비해, 색동호박의 경우 128μg/mg 및 5,149μg로서 해바라기에 비해 각각 specific uptake rate는 4배, total uptake rate는 10배 이상 우수한 것으로 나나났다. 보다 효율적인 제염효과를 얻기 위해 새로운 개념의 생물전기화학반응기를 설계하고 제작하였으며, 이러한 반응기를 활용한 경우 활용하지 않은 경우에 비해 Cs 제염효율이 3배 증가되는 것으로 나타났다. 세슘제염 후보식물인 색동호박에 대하여 다양한 온도, 습도, pH 환경조건에서 세슘 제거 능력을 시험하여 보았다. 그 결과, 색동호박을 20-30도 사이의 조건, 30-80%의 습도조건 및 토양 pH 5-9사이에서 4주간 배양한 결과 80% 이상의 제염효율을 보였다. 지속적으로 Cs을 공급하여 준 경우 최대 세슘 제거량을 분석한 결과 19g의 세숨(55조 Bq 및 1,5600Ci)에 상응하는 세슘을 제거할 수 있었으나, 식물의 생장 및 방사선에 의한 영향을 고려한 경우 안정적으로는 4,000억 Bq의 세슘을 60일 이내에 안정적으로 제거할 수 있음을 보았다. 이상의 결과는 색동호박이 매우 우수한 Cs 제염식물로서 사용될 수 있음을 의미하는데, 특히, 색동호박의 경우 기존에는 방사능제염식물로서 전혀 고려되지 않았던 식물로서, 야생에서 Cs의 제염을 위해서 최우선적으로 고려해야 할 것으로 기대된다. (출처 : 요약문 10p);
- 연구책임자 : 김인규
- 주관연구기관 : 한국원자력연구원
- 발행년도 : 20210100
- Keyword : 1. 방사능;방사성핵종;방사능 오염;웹기반 방사능오염 예측;방사능 검출기;식물정화기술; 2. Radioactivity;Radionuclides;Radioactive contamination;Web-based prediction system of the radioactive contamination;Radiation detector;Phytoremediation;
