90Sr 및 239+240Pu의 퇴적층 오염이 해양생물 먹이망을 통한 전이에 미치는 장기적 영향: 물리 퇴적환경 요소 민감도 평가

Long-Term Effects of 90Sr and 239+240Pu Contaminated on the Seafloor Sediment on the Transfer through Marine Food Web: Sensitivity to the Physical Property- and Sediment-Related Parameters

Article information

J Coast Disaster Prev. 2024;11(3):47-57
Publication date (electronic) : 2024 September 30
doi : https://doi.org/10.20481/kscdp.2024.11.3.47
Ocean Circulation & Climate Research Department, KIOST, Busan, Korea
김해진, 김한나, 김경옥
한국해양과학기술원 해양순환기후연구부
Corresponding author: Kyeong Ok Kim, +82-51-664-3233, kokim@kiost.ac.kr
Received 2024 August 9; Accepted 2024 August 21.

Trans Abstract

This study, as a follow-up to the 137Cs study of Kim et al. (2023), performs a set of sensitivity experiments on ocean physical properties and sediment-related parameters based on initial bottom contamination of 90Sr and 239+240Pu in the upper sediment layer. Both studies utilizes the Extended BURN model proposed by Bezhenar et al. (2016). The initial contamination levels were set to 3 and 0.4 Bq/kg, respectively, based on observations off the coast of Fukushima. The sensitivity experiments were divided into EXP-WOHAD, which examined the effects of the vertical diffusion coefficient and vertical sediment flux, and EXP-WHAD, which investigated the effects of ocean currents. The results of the EXP-WOHAD experiments showed that both radionuclides are more sensitive to sediment fluxes than to vertical diffusion coefficients. For both 90Sr and 239+240Pu, transport was dominated by transport to the intermediate sediment layer rather than to seawater. Specifically, for 239+240Pu, transport to seawater was insignificant due to its strong sorption properties in sediments. In terms of bioaccumulation, 90Sr accumulated most in fish and invertebrates, while 239+240Pu accumulated most in invertebrates, followed by zooplankton. Notably, 239+240Pu showed high bioaccumulation despite its low initial sediment contamination. The changes in radioactivity concentrations in the EXP-WHAD experiments were similar to those in the EXP-WOHAD experiments, and the bioaccumulation trends in biota were also comparable. This study confirms that the accumulation of radionuclides in seawater, intermediate sediments, and biota is sensitive to the marine physical environment and varies by nuclide. When the sediment flux increased by a factor of 100, the remaining radioactivity levels of 90Sr and 239+240Pu in biota after 100 years showed a significant reduction, decreasing by more than 900 and 30,000 times, respectively; it highlighting the importance of parameterization according to the physical environment of the area of interest.

1. 서 론

과거 핵 실험이나 원전 사고, 원전 운용 및 폐로 과정에서 발생하는 인공방사능의 유출은 대기 및 해양을 통한 단기적인 해양 오염뿐만 아니라, 해저퇴적층 침적을 통해 발생하는 장기적인 오염도 존재하는 것으로 파악되었다(Bezhenar et al., 2016; Kim et al., 2023). 일차적 성과로 Kim et al. (2023)에서는 부유생물 및 저서생물 먹이망을 활용한 해양방사능 전이 모듈(Extended BURN)을 장착한 POSEIDON-R 모델(Maderich et al., 2014)을 기반으로 후쿠시마 사고로 인한 해저 퇴적층의 137Cs 오염을 가정하여 해수 내 용존 137Cs과 해양생물종 내 축적되는 137Cs의 장기 변화를 제시하였다.

90Sr과 239+240Pu은 137Cs과는 다른 방사능 특성을 가지고 있다. 137Cs은 비교적 수용성이 높아 해양 환경에서 쉽게 이동하지만, 90Sr은 뼈와 같은 생물조직에 축적되기 쉬운 특성을 지닌다. 반면 239+240Pu은 입자성 물질에 흡착되어 퇴적층에 머무르는 경향이 강하다. 이러한 특성 차이는 해양 생태계 내에서 각 방사성 물질의 거동과 생물학적 영향을 다르게 만들 수 있다. 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후, 137Cs에 대한 해저퇴적층 오염에 대한 검토는 제한적으로 이루어졌으나(Perianez et al., 2013; Min et al., 2013; Choi et al., 2013), 90Sr과 239+240Pu에 대한 퇴적층 오염의 장기적인 영향을 살펴본 연구는 거의 수행되지 않았다.

본 연구에서는 Kim et al. (2023)의 후속 연구로서 확장형 해양생물 먹이망을 장착한 POSEIDON-R 박스모델 기반의 전문가시스템을 기반으로 90Sr 및 239+240Pu의 해저퇴적층 오염에 대한 장기적인 영향을 살펴본다. 해수 및 퇴적층 내 방사능 농도의 시공간 변화를 결정하는 주요 퇴적물 파라미터인 연직확산계수와 퇴적물 플럭스에 따른 민감도 실험을 수행한다. 또한, 해류에 의한 수평 이류 및 확산 유무에 따른 실험을 통해 해양의 물리 환경에 대한 방사성 물질 수송의 불확실성을 검토한다.

본 연구는 다음과 같이 구성된다. 섹션 2에서는 본 연구에 사용된 POSEIDON-R 모델의 부유 및 저서생물 먹이망 구조와 퇴적층 구조, 민감도 실험 조건을 소개한다. 섹션 3에서는 상부 해저퇴적층의 90Sr 및 239+240Pu 초기 오염에 대한 민감도 실험 결과를 설명한다. 토의 및 결론에서는 실험 결과에 대한 요약과 토의 사항에 대해 기술한다.

2. 수치모델 및 실험

다음에서는 부유 및 저서생물 먹이망의 구조와 해수 및 퇴적층의 연직 구조, 모델 영역 및 시나리오 실험의 세부 내용 등 민감도 실험에 필요한 필수 정보에 대해 기술한다. 본 연구에서 활용한 모델과 기본적인 실험의 설계는 Kim et al. (2023)과 동일하나, 본 연구에서는 90Sr 및 239+240Pu의 오염에 대해 다루었으며 각각 다른 초기 오염량이 적용되었다.

2.1 POSEIDON-R 모형 내 해양생물 먹이망(Extended BURN) 및 박스의 연직 구조

본 연구에서는 Fig. 1(a)와 같이 부유생물뿐만 아니라 저서생물을 포함한 확장된 해양생물 먹이망을 고려한다. 즉, 총 11개의 해양생물종을 고려하는데 이는 다음과 같다: 식물 플랑크톤(1), 동물 플랑크톤(2), 초식성 어류(3), 육식성 어류(4), 해조류(5), 저서 무척추동물(6), 연체동물(7), 갑각류(8), 저서성 어류(9), 저서포식자 어류(10) 및 전층 포식자(11). 해양생물 먹이망의 연결을 통한 방사성 핵종의 교환 과정에 대한 설명은 Kim et al. (2023)에서 자세히 다루어 본 논문에서는 생략한다.

Fig. 1.

Configuration of POSEIDON-R: (a) extended marine food web including pelagic and benthic organisms, and (b) the vertical structure of a box and radionuclide transfer processes (redrawn by modifying Fig. 1 of Kim et al., 2023)

2.2 모델 설계

본 연구에서는 저서생물 먹이사슬을 포함한 해양생물 먹이망을 이용하여 퇴적층 내 90Sr 및 239+240Pu의 초기오염에 따른 민감도 분석을 수행하였다. 실험은 크게 해류에 의한 수평 이류 및 확산을 고려하지 않은 실험과 고려한 두 가지 실험으로 구분되며, 편의상 각각 EXP-WOHAD (EXPeriment-WithOut Horizontal Advection and Diffusion)와 EXP-WHAD (EXPeriment-With Horizontal Advection and without/with Diffusion)로 표기하였다. 각 실험에서는 유동량의 크기에 따라 다양한 사례를 수행하여 비교 분석하였다. EXP-WHAD 실험의 모델 영역은 Kim et al. (2023)에서 사용한 영역과 동일하며, Fig. 2에 제시하였다. EXP-WOHAD의 실험 영역은 x, y, z방향으로 길이 각각 10 km, 10 km, 20 m를 갖는 원전 전면의 단일 박스로만 구성된다.

Fig. 2.

Box system configuration for the EXP-WHAD: horizontal boxes with a straight coastlines containing a nuclear power plant (P1) (redrawn by modifying Fig. 2 of Kim et al., 2023)

Fig. 2에서 박스 4 내 밝은 하늘색으로 표시된 P1 앞의 작은 박스는 연안 박스로 명명하였으며, 박스 4의 상부 퇴적층의 초기 오염을 가정하였다. EXP-WHAD 실험에서는 수평 확산을 나타내기 위해 동일한 유속(0.01 m/s)으로 박스 간 해수 교환이 일어나는 것으로 가정하였고, 수평 이류로는 동쪽으로 0.02 m/s, 서쪽 및 남북(연안과 외해 간)으로 0.01 m/s의 유속을 가정하였다. POSEIDON-R 모델에서는 유속(m/s) 대신 연간 해수 유동량(m3/s)을 입력 자료로 사용하기 때문에, 이러한 유속 조건을 기반으로 유동량으로 산정하여 수치 실험을 수행하였다.

2.3 민감도 실험 시나리오

해저퇴적층의 방사능 오염량은 후쿠시마 제 1 원자력 발전소 앞(37.2-37.6°N, 141.0-141.1°E)에서 관측한 값을 참고하여 정의하였다. 구체적으로 해수, 생물군, 해저퇴적물 및 부유퇴적물 내 방사능 농도의 관측 결과를 수집하여 제공하는 해양 방사능 정보 시스템 MARIS (Marine Radioactivity Information System; https://maris.iaea.org/home)로부터 해당 정보를 도출하였다. Fig. 3에서 해저퇴적물 내 90Sr은 2011년 상반기에 정점을 찍은 후 점차 감소하는 반면, 239+240Pu은 비슷한 농도를 유지하는 모습을 보였다. 따라서 2011년 상반기 관측치의 중앙값인 3 및 0.4 Bq/kg의 90Sr과 239+240Pu이 각각 연안 박스의 해저 퇴적층에 침적되었다고 가정하고 다양한 퇴적물 관련 입력 파라미터에 대한 민감도 실험을 수행하였다. 모델 계산 기간은 100년으로 설정하여 퇴적층 오염에 대한 장기적 영향을 검토하였다.

Fig. 3.

The observation results of sediment contamination from 2011 to 2015 taken in front of the FDNPP. Data are shown for the first and second half of each year. The top, middle, and bottom of the grey box represent the upper quartile, median, and lower quartile values, respectively. The top and bottom point of the straight line indicates the maximum and minimum values, and the diamond mark denotes the outlier point.

퇴적물 파라미터에 대한 민감도 실험의 시나리오에 대한 사례들은 Table 1에 요약되어 있다. 각 실험에서의 C1 그룹은 해수 및 퇴적층 경계면에서의 연직확산계수 변화에 따른 사례들을, C2 그룹은 퇴적물 플럭스 변화에 따른 사례를 포함하고 있다. EXP-WOHAD는 연직확산계수에 따른 민감도 사례 그룹인 C1과 퇴적물 플럭스 변화에 따른 민감도 사례 그룹인 C2로 구성되어 있으며, 해류의 유입⋅유출을 고려하지 않으므로 실험 사례의 이름에 x를 붙여 표기하였다. EXP-WHAD는 수평 이류를 고려한 경우 사례명에 oa를, 수평 이류 및 확산을 고려한 경우 od를 붙여 나타내었다. 예를 들어, C1-1x는 해류의 유입을 고려하지 않고 연직확산계수로 0.00315 m2/s, 퇴적물 플럭스로 7.30⨯10-4 t/m2/s를 사용한 사례이다. C1-1oa는 C1-1x와 동일한 연직확산계수와 퇴적물 플럭스를 사용하지만 수평 이류가 적용된 사례이며, C1-1od는 수평 이류 및 확산을 모두 고려한 사례를 의미한다.

Experimental cases: Sensitivity to the sediment transport-related parameters

3. 결 과

본 연구에서는 Table 1에 제시된 실험 사례들을 수행하였다. 특히, EXP-WOHAD 실험은 퇴적물 파라미터에 따른 민감도 분석에 초점을 맞추었고, EXP-WHAD 실험은 해류의 영향도 함께 검토하였다. 모든 실험은 퇴적층이 초기에 오염되어 있으며, P1에서 추가적인 방사성 물질의 유입이 없다는 가정 하에 진행되었다. 이를 통해 오염된 퇴적층 내 방사성 물질(90Sr 및 239+240Pu)이 해양 환경 및 해양 생물에 미치는 영향을 조사하였다.

3.1 연직확산계수 및 퇴적물 플럭스 민감도 실험 (EXP-WOHAD)

C1-1x, C1-2x, C1-3x(C1x 그룹) 및 C2-1x, C2-2x, C2-3x(C2x 그룹)의 실험 사례 결과 중, 상부/중간 퇴적층과 수중의 90Sr 농도에 대한 100년간의 시계열을 각각 Fig. 4(a)~4(c)Fig. 4(d)~4(f)에 제시하였다. 전반적으로 모든 실험 사례 결과는 상부 퇴적층 내 90Sr의 농도가 100년에 걸쳐 기하급수적으로 감소하는 경향을 보였으며, C1-1x에서 C1-2x, C1-3x로 갈수록, 즉, 연직확산계수가 커질수록 상부 퇴적층 내 90Sr 농도의 감소율이 증가하는 것으로 확인되었다(Fig. 4(a)). 중간 퇴적층의 90Sr 농도는 실험 초기에 급격한 증가를 보인 후, 지속적으로 감소하는 시간 변화를 보이며, 상부 퇴적층의 농도 감소가 빠를수록 중간 퇴적층으로 더 많은 양의 90Sr이 빠르게 유입되어 더 높은 최대 농도를 보인다(Fig. 4(b)). 해수 내 90Sr 농도는, 초기에는 연직 확산이 더 클수록 최대 첨두 농도가 더 크게 나타났다. 그러나, 동시에 감소도 더 급격히 이루어지면서 약 30년 이후부터는 연직확산이 클수록 해수 내 농도가 낮은 것으로 나타났다. 또한, 세 실험 사례 모두 해수로 유입되는 방사능 농도는 중간 퇴적층으로 유입되는 농도보다 현저히 더 적다(Fig. 4(c)).

Fig. 4.

Time-series of 90Sr concentrations in (a), (d) the top sediments (Bq/kg), (b), (e) the middle sediments (Bq/kg), and (c), (f) the water (Bq/m3), calculated from groups C1x and C2x without horizontal advection and diffusion (EXP-WOHAD). Groups C1x and C2x investigate the sensitivities to vertical diffusivity and sediment flux, respectively.

C1x 그룹과 마찬가지로 C2x 그룹에서도 퇴적물 플럭스가 증가함에 따라 상부 퇴적층 내 90Sr 농도의 감소율이 증가하며, 중간 퇴적층 내 90Sr 농도의 첨두가 더욱 뚜렷하게 나타난다(Fig. 4(d)4(e)). C1x 그룹의 세 실험 사례의 결과와는 달리, 퇴적물 플럭스가 가장 큰 C2-3x 사례의 결과는 C2-1x와 C2-2x의 결과와 상부 퇴적층과 수중의 농도가 큰 차이를 보였다 (Fig. 4(d)4(f)). 이는 과도한 퇴적물 플럭스로 인해 해수-상부 퇴적층-중간 퇴적층-하부 퇴적층으로의 방사능의 수송이 빠르게 일어나 상부 퇴적층 및 해수 내 방사성 농도의 감소가 급격히 나타나기 때문이다. 또한, 많은 양의 방사능이 하부 퇴적층에 축적되기 때문에 상대적으로 중간 퇴적층에 남은 90Sr은 다른 실험 사례 결과와 큰 차이를 보이지 않는다 (Fig. 4(e)).

C1x 및 C2x 그룹의 동물 플랑크톤, 조류, 무척추동물(6, 7, 8) 및 어류(3, 4, 9, 10, 11)의 생물 그룹에 대한 90Sr 농도의 시간 변화를 조사하였다(Fig. 5(a)-(f)). 각 사례에 대한 생물군 내 90Sr 농도의 시간 변화는 기본적으로 해수 내 농도 변화와 일치한다(Fig. 4(c)4(f)). 이는 먹이망 내 생물 농축은 기본적으로 해수 농도에 비례하는 식물플랑크톤 및 해조류의 오염에서 시작되며, 각 생물에 대한 해수로부터의 직접 수송도 기여하기 때문이다. 저서 무척추동물과 저서성 어류의 경우 해저퇴적층으로부터의 직접적인 방사성 물질의 수송도 존재한다(Fig. 1).

Fig. 5.

Time-series of 90Sr concentrations in zooplankton, algae, invertebrates, and fish calculated from the respective (a)-(c) C1x and (d)-(f) C2x experiments. Groups C1x and C2x investigate the sensitivities to vertical diffusivity and sediment flux, respectively.

해수 내 90Sr의 농도와 마찬가지로, 연직확산이 클수록, 퇴적물 플럭스가 작을수록 동물 플랑크톤 및 해조류의 90Sr 농도가 높게 나타났다(Fig. 5). 그에 반해, 무척추동물 및 어류 내 방사능 농도는 실험 사례 간 비슷한 수준으로 존재하였다. 이는 고차 생태계로 갈수록 생물 내 방사능 농도는 해수 내 농도뿐만 아니라 먹이 섭취를 통한 흡수, 생물학적 반감기와도 연관되어 복잡하게 변화하기 때문이다. C1x와 C2x 그룹의 실험 사례 결과에서 동물 플랑크톤과 해조류의 90Sr 농도의 시간변화는 두 생물군 간 절대적인 차이만 나타나며, 그 양은 무척추동물이나 어류에 비해 약 1-2 오더 작은 것으로 나타났다(Fig. 5). 전반적으로 90Sr은 무척추동물(6, 7, 8), 저서 어류(9, 10)와 연안 포식자(11)에 축적되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 4Fig. 5와 동일한 그림을 239+240Pu에 대해 Fig. 6Fig. 7에 나타내었다. 239Pu 및 240Pu의 반감기는 각각 24,400년 및 6,570년으로 90Sr에 비해(28.8년) 긴 반감기를 가지므로, Fig. 6(a)와 같이 완만한 감소 추세를 보인다. 이에 따라 중간 퇴적층 내 239+240Pu 농도도 완만한 상승 곡선을 보인다(Fig. 6(b)). 해수 내 239+240Pu 농도는 실험 초기에 매우 빠르게 첨두에 도달 한 후 완만하게 감소하는 경향을 보였다(Fig. 6(c)). 상부 퇴적층에 존재하는 239+240Pu은 긴 반감기로 인해 100년 후에도 약 25% 이상이 잔존하는 것으로 나타났다. 이에 비해, 중간 퇴적층 내 239+240Pu은 증가 경향만을 나타냈다. C1x 그룹의 세 실험 사례 결과는 해수 및 퇴적층에서 모두 유사한 농도 변화를 보여주었는데, 이는 239+240Pu이 연직확산계수에 크게 민감하지 않다는 것을 보여준다. 즉, 퇴적물에 강하게 흡착되는 플루토늄의 특성을 바탕으로, 연직확산계수와 상관없이 대부분의 239+240Pu이 퇴적층 내에 안정적으로 남아있다는 것을 나타낸다.

Fig. 6.

Same as Fig. 4, but for 239+240Pu

Fig. 7.

Same as Fig. 5, but for 239+240Pu

퇴적물 플럭스를 다르게 한 C2x 그룹에서도 퇴적물 플럭스가 증가함에 따라 상부 퇴적층 내 239+240Pu 농도의 감소율이 증가하며, 중간 퇴적층 내 239+240Pu 농도 증가율도 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 6(d)(e)). 그러나, C1x 그룹의 실험 사례 결과에 비해 증가 및 감소율의 차이가 크게 나타났다. 즉, 239+240Pu의 농도 변화는 연직확산계수보다 퇴적물 플럭스에 더 민감하게 반응한다. 퇴적물 플럭스가 클수록 중간 퇴적층으로 침적되는 239+240Pu의 농도가 커지므로, 해수 내 농도는 작게 나타나는데, 특히 C2-3x 사례의 해수 내 239+240Pu의 농도는 매우 미미하다 (Fig. 6(f)).

90Sr과 동일하게 생물군 내 239+240Pu 농도 변화를 살펴보았다(Fig. 7). 생물 내 239+240Pu의 농도 변화는 90Sr의 경우와 마찬가지로, 해수 내 239+240Pu 농도의 시간 변화(Fig. 6(c)6(f))와 매우 유사하게 나타났다. 239+240Pu은 대부분 무척추동물과 동물 플랑크톤에 많이 존재하는 것으로 나타났다(Fig. 7). 동물 플랑크톤에 축적되는 239+240Pu 농도는 초기 퇴적물 오염량이 큰 90Sr 보다도 훨씬 높게 나타나는데, 이는 동물 플랑크톤의 먹이가 되는 식물 플랑크톤 내 방사성 물질 축적을 결정하는 239+240Pu의 생물농축계수(biological concentration factor; BCF)가 훨씬 크기 때문이다. 이에 비해, 부유 및 저서성 어류에는 적은 농도가 축적되는 것으로 나타났다.

3.2 수평 해류의 효과 (EXP-WHAD)

수평 해류가 방사성 물질의 생물 농축에 미치는 영향을 알아보기 위해, 해수로의 방사성 핵종 유입이 가장 많았던 C1-3x 실험 사례(90Sr의 경우)와 C2-1x 사례(239+240Pu의 경우)에 이류와 이류 및 확산을 고려한 C1-3oa 및 C1-3od (90Sr의 경우)와 C2-1oa 및 C2-1od(239+240Pu의 경우)실험 사례 결과를 조사하였다. 연안 박스에서부터 이류 및 확산에 의한 오염의 이동과 생물 영향에 대해 조사하기 위해 박스 5, 7, 13, 19에 대해 분석을 수행하였다(Figs. 8-11).

Fig. 8.

Time-series of 90Sr concentrations in (a), (d) the top sediments (Bq/kg), (b), (e) the middle sediments (Bq/kg), and (c), (f) the water (Bq/m3) for boxes 5, 7, 13, and 19, calculated from C1-3oa and C1-3od. Experiments C1-3oa and C1-3od consider horizontal advection and diffusion, respectively, with a large vertical diffusion coefficient (3.15 m2/s).

Fig. 9.

Time-series of 90Sr concentrations in zooplankton, algae, invertebrates, and fish calculated from C1-3oa (black lines) and C1-3od (blue lines) for boxes (a) 5, (b) 7, (c) 13, and (d) 19. Experiments C1-3oa and C1-3od consider horizontal advection and diffusion, respectively, with a large vertical diffusion coefficient (3.15 m2/s).

Fig. 10.

Time-series of 239+240Pu concentrations in (a), (d) the top sediments (Bq/kg), (b), (e) the middle sediments (Bq/kg), and (c), (f) the water (Bq/m3) for boxes 5, 7, 13, and 19, calculated from C2-1oa and C2-1od. Experiments C2-1oa and C2-1od consider horizontal advection and diffusion, respectively, with a small sediment flux (7.30 ⨯ 10-5 t/m2/s).

Fig. 11.

Time-series of 239+240Pu concentrations in zooplankton, algae, invertebrates, and fish calculated from C2-1oa (black lines) and C2-1od (blue lines) for boxes (a) 5, (b) 7, (c) 13, and (d) 19. Experiments C2-1oa and C2-1od consider horizontal advection and diffusion, respectively, with a small sediment flux (7.30 ⨯ 10-5 t/m2/s).

퇴적층 오염이 적용된 연안 박스에서는 퇴적층에서부터 오염의 확산이 시작되지만, 그 외 박스에서는 연안 박스의 해수 내 방사성 핵종이 이류 및 확산을 통해 이동해 오기 때문에 해수부터 오염의 이동이 시작된다. 따라서, 박스들의 해수 내 90Sr 농도 변화는 Fig. 4(c)의 C1-3x 사례 결과와 매우 유사하다(Fig. 8(c)(f)). 연안 박스와 가장 가까운 박스 5의 최대 농도는 연안 박스의 농도보다 약 2오더 정도 낮게 나타났다. 해수에 유입된 90Sr은 상부 퇴적층을 통해 퇴적층 내로 유입되므로, 상부 퇴적층의 90Sr 농도 변화는 해수와 유사하게 첨두가 뚜렷하게 나타났다(Fig. 8(a), (c), (d), (f)).

박스 5, 7, 13의 경우, 해수와 상부 퇴적층의 첨두 농도는 비슷한 오더를 가지는 것으로 나타났으며, 중간 퇴적층의 최대 농도는 그보다 약 1-2 오더 낮게, 그리고 보다 완만한 감소 추세를 보였다(Fig. 8(b)(e)). 반면, 박스 19의 경우에는 상부 및 중간 퇴적층의 90Sr 농도가 다른 박스들에 비해 현저히 낮게 나타났는데, 이는 박스 19의 수층이 50 m로 다른 박스들의 수층(20 m) 보다 두꺼워 퇴적층으로의 유입이 적기 때문이다.

이류 또는 이류 및 확산을 적용한 실험 사례(C1-3oa 및 C1-3od) 결과는 매우 유사하며, 연안 박스에서 멀어질수록 90Sr의 유입이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 다만, C1-3od 사례의 경우, 해수 내 90Sr의 농도가 박스 7과 19가 역전되는 것으로 나타났다(Fig. 8(f)). 이는 이류를 적용한 실험의 경우, 서쪽에서 동쪽으로의 큰 해수의 유입으로 인해 박스 7로 90Sr이 많이 유입되지만, 이류 및 확산 적용 사례에서는 남북 방향의 확산으로 인해 박스 19로의 유입이 늘어났기 때문이다.

각 박스들에 대한 생물군 내 방사능 능도의 시간 변화는 기본적으로 이류, 확산이 존재하지 않는 실험 사례인 C1-3x (Fig. 5(c))와 유사하며, 수치적인 차이만 나타났다(Fig. 9). 앞서 확인한 바와 같이, 모든 박스에서 90Sr은 어류, 무척추동물, 동물 플랑크톤, 해조류의 순으로 침적되었다. 또한, 생물 내 방사성 핵종은 해수 내 농도의 증감 패턴을 따르므로, Fig. 8(c)Fig. 8(f)의 해수 내 농도 차이를 그대로 반영하였다. 그 결과, 박스 5에서는 이류만을 적용한 실험 사례와 이류 및 확산을 동시에 적용한 사례의 결과가 유사하며(Fig. 9(a)), 박스 7에서는 이류만을 적용한 실험 사례결과가 더 높은 농도를 보여주고(Fig. 9(b)), 박스 13과 19에서는 확산까지 적용한 실험 사례 결과의 농도가 더 높다(Fig. 9(c)(d)). 즉, 오염원인 연안 박스보다 북쪽에 위치한 해역의 경우에는 큰 흐름에 의한 이류가 없거나 약한 경우에 오염이 더 클 것으로 예상할 수 있다.

239+240Pu의 경우에도, 90Sr과 마찬가지로 C2-1x의 실험 사례 결과(Fig. 6(f))와 유사한 해수 내 증감 패턴을 보인다(Fig. 10). 해수 내 239+240Pu은 매우 약한 감소추세를 보이기 때문에 상부 및 중간 퇴적층의 239+240Pu 농도는 점차 증가하는 경향을 보인다(Fig. 10(c)). 박스 19는 상대적으로 두꺼운 수층으로 구성되어 있으므로, 부유 퇴적물의 더딘 침적으로 인하여 퇴적층 내 농도가 낮게 나타났다(Fig. 10(a)(b)).

C2-1od 사례에서는, 90Sr의 경우와 마찬가지로 박스 19의 해수 내 239+240Pu 농도가 박스 7보다 약간 높게 나타났다(Fig. 10(f)). 이로 인해 박스 19의 상부 및 중간 퇴적층 내 239+240Pu 농도가 C2-1oa의 경우보다 뚜렷하게 높아지는 것으로 보인다(Fig. 10(d)(e)). 즉, 퇴적층에 강하게 흡착되어 오래 남아있는 239+240Pu의 특성상, 퇴적층 내의 239+240Pu 농도는 동일 박스의 해수 내로 유입되는 오염원의 양, 즉, 이류 및 확산과 같은 물리적 환경의 영향을 크게 받는다.

약한 퇴적물 플럭스와 이류 또는 이류 및 확산을 적용한 실험 사례 결과, 239+240Pu은 대부분의 박스 내 생물에서 미미한 감소 경향이 나타났다(Fig. 11). 이류만을 적용한 실험 사례 결과와 이류 및 확산을 모두 적용한 사례의 차이는 90Sr과 유사하여, 박스 5의 경우 두 사례의 차이가 거의 동일하며(Fig. 11(a)), 박스 7의 경우 이류만을 고려한 실험 사례의 결과가 우세(Fig. 11(b)), 박스 13과 19는 확산을 추가로 적용한 실험 사례의 결과가 우세 또는 매우 유사하게 나타났다(Fig. 11(c) and (d)).

4. 토 의

4.1 EXP-WOHAD 실험에 따른 방사성 물질의 변동

EXP-WOHAD는 수평 이류와 확산을 모두 무시하기 때문에 사실상 연직 1차원 실험이다. 이 실험은 해수와 퇴적층 경계면에서의 연직확산계수와 퇴적물 플럭스가 상부 퇴적층에서 상향 및 하향, 즉, 해수 및 중간 퇴적층과 생물로 이동하는 90Sr 및 239+240Pu의 시간 변화에 미치는 영향을 조사하기 위해 설계되었다. EXP-WOHAD 결과로부터 90Sr 및 239+240Pu의 해수-상부 퇴적층-중간 퇴적층으로의 이동은 연직확산계수보다 퇴적물 플럭스에 더 민감하다는 것을 확인할 수 있었다.

90Sr의 경우, 연직확산계수가 클수록 초기에는 해수로의 유입이 크지만, 약 30년 후에는 확산계수가 작은 실험 사례의 경우가 해수 내 농도가 더 높았다. 이는 큰 연직확산으로 인해 초기에 해수로의 유입이 급격히 나타나지만, 그 이후에는 다시 퇴적물 플럭스를 통해 퇴적층으로 유입되거나 생물로 유입되면서 급격한 감소가 나타나기 때문이며, 연직 상호작용이 어느 정도 평형을 이루게 되면 완만한 감소 추세를 나타낸다.

퇴적물 플럭스의 민감도 실험 사례에서는 일관되게 플럭스가 클수록 해수로 유입되는 90Sr이 적게 나타났다. 연직확산계수 및 퇴적물 플럭스에 민감한 해수와 달리, 중간 퇴적층 내 90Sr의 시간 변화는 연직확산계수와 퇴적물 플럭스에 대한 민감도 실험 사례 결과가 유사한 양상을 보였다. 즉, 중간 퇴적층 내 90Sr 농도는 물리적 환경에 덜 민감하다. 하부 퇴적층으로의 방사능 확산은 그 역할이 부차적이기 때문에 이 연구에서는 논의하지 않았다. 즉, 상부 퇴적층에 오염이 존재하는 환경에서, 90Sr은 해수로의 유입보다 중간 퇴적층으로의 유입이 더 지배적인 것으로 나타났다. 또한, 해수 내 농도는 물리 환경에 매우 민감하게 반응하는 반면, 중간 퇴적층은 덜 민감하다.

90Sr의 해양 생물로의 축적은 해수 내 90Sr의 농도 변화와 그 패턴이 매우 유사하므로 해양 생물 내 90Sr의 농도도 물리 환경에 매우 민감하다고 할 수 있다. 90Sr의 경우, 해양 생물 중 어류와 무척추동물에 가장 많이 축적되어 섭취를 통해 인간에게 유입될 확률이 높다. 동물 플랑크톤과 해조류에는 그에 비해 약 1오더 낮은 농도로 존재한다. 해수 유입량이 민감하게 반응하는 퇴적물 플럭스의 실험 사례 결과, 퇴적물 플럭스가 가장 작은 사례(C2-1x)와 가장 큰 사례(C2-3x)의 결과의 최대 농도 대비 100년 후 각 생물군 내 방사능 잔존량은 약 10~20%와 약 0.01~0.02%로 매우 큰 차이를 보인다.

239+240Pu의 확산도 연직확산계수보다는 퇴적물 플럭스에 민감한 것으로 나타났다. 특히, 연직확산계수의 민감도 사례 그룹인 C1x의 결과가 모두 유사하게 나타났다. 반면, 퇴적물 플럭스의 민감도 사례 그룹에서는 플럭스가 클수록 해수 내 유입이 적어지고 중간 퇴적층으로의 유입이 뚜렷하게 높아지는 것으로 나타났다. 퇴적물 플럭스가 10배 커질 때 마다 해수로의 유입과 중간 퇴적층으로의 유입도 10배씩 작아지거나 커졌다. 이는 239+240Pu의 강한 퇴적물 흡착 특성을 잘 보여준다.

생물로의 239+240Pu의 축적은 무척추동물과 동물 플랑크톤이 크며, 어류와 해조류로의 축적은 약 1-2오더 낮다. 90Sr과 비교했을 때, 상부 퇴적층 오염이 90Sr이 비해 약 1오더 낮음에도 불구하고 무척추동물과 동물 플랑크톤으로의 축적량은 오히려 더 높으며, 해조류의 축적은 비슷한 수준이다. 90Sr과 오염량이 동일하다고 가정할 때, 어류로의 축적도 90Sr과 비슷한 수준일 것으로 예상된다. 따라서, 긴 239+240Pu의 반감기를 고려할 때, 239+240Pu의 생물 영향은 90Sr보다 더 두드러질 수 있다. 해수 유입량이 퇴적물 플럭스에 민감한 것과 같은 맥락으로 퇴적물 플럭스가 가장 작은 사례(C2-1x)와 가장 큰 사례(C2-3x)의 결과를 비교한 결과, 최대 농도 대비 100년 후 각 생물군 내 잔존량은 약 90%와 약 0.003%로 매우 큰 차이를 보인다. 이는, 생물 영향의 장기 예측을 위해서는 생태계 환경뿐만 아니라 해양 물리 환경에 대한 지속적인 관찰과 연구가 필요함을 시사한다.

4.2 EXP-WHAD 실험에 따른 방사성 물질의 변동

EXP-WHAD에서 해수 내 90Sr 및 239+240Pu은 이류 및 확산에 의해 이동하며 주변 해수에 의해 희석된다. 따라서, 박스의 위치에 따라 이류 또는 이류 및 확산을 고려했을 때 어떤 실험 사례 결과가 우세한지가 다르게 나타난다. 해수를 통해 오염원이 유입되고 그에 따라 퇴적층으로의 축적이 이루어지기 때문에, 연안 박스와 가까이 위치해 있을수록 퇴적물로의 유입도 크게 나타났다.

90Sr의 경우에는 해수 및 퇴적층에서 초기 피크를 보인 후 지속적인 감소 추세를 보였다. 그러나, 239+240Pu은 긴 반감기로 인해 모든 박스에서 해수 내 농도가 큰 감소 없이 유지되면서 퇴적층으로의 유입이 급격히 상승하는 패턴이 나타났다. 이는 239+240Pu의 강한 퇴적물 흡착 특성을 잘 보여주며, 동시에 장기간 퇴적층에 축적되어 또 다른 오염원이 될 수 있다는 것을 시사한다.

EXP-WHAD에서 해양 생물 내 90Sr 및 239+240Pu의 축적은 이류 및 확산을 고려하지 않았을 때(EXP-WOHAD)와 그 경향성과 생물 축적 순서가 동일하게 나타났으며, 수치적인 차이만 존재하는 것으로 확인되었다.

우리는 Table 1에서 제시한 연직확산계수와 퇴적물 플럭스에 이류 또는 이류 및 확산을 고려한 모든 실험 사례들을 수행하였으나, 본 논문에서는 해수로의 유입이 가장 크게 나타났던 경우(90Sr에 대해서는 C1-3, 239+240Pu에 대해서는 C3-1)의 실험 사례 결과만을 제시하였다. 다른 사례의 경우도 농도의 차이만 존재할 뿐 큰 경향성은 일맥상통한다.

5. 결 론

본 연구는 Kim et al. (2023)의 후속 연구로서, 확장된 해양생물 먹이망(Extended BURN) 모델을 활용하여 상부 퇴적층의 90Sr 및 239+240Pu의 초기 오염(각각 3 및 0.4 Bq/kg)을 가정하여 수행한 해양 물리 특성에 따른 민감도 실험 결과를 분석하였다. 민감도 실험은 크게 수평 이류와 확산을 고려하지 않은 실험인 EXP-WOHAD와 고려한 실험인 EXP-WHAD으로 나뉘며, 전자는 연직확산계수와 부유퇴적물 플럭스 값에 따라 6개의 하위 케이스로, 후자는 2개의 하위 케이스로 구성된다.

EXP-WOHAD 실험을 통해 퇴적물 파라미터인 연직확산계수와 퇴적물 플럭스에 따른 90Sr 및 239+240Pu의 이동 특성을 살펴보았다. 두 방사성 핵종 모두 연직확산계수보다는 퇴적물 플럭스에 더 민감하게 반응하는 것으로 나타났다. 90Sr은 퇴적물 플럭스에 관계없이 해수에 비해 중간 퇴적층으로 이동하는 양이 지배적이며, 퇴적물 파라미터에 덜 민감하다. 239+240Pu의 경우도 중간 퇴적층로 이동하는 양이 지배적이며, 해수로의 이동은 90Sr과 비교해도 상당히 미미하다. 이는 239+240Pu의 퇴적물 흡착 특성이 강하다는 것을 잘 보여준다.

생물로의 축적은, 90Sr의 경우, 동물 플랑크톤과 해조류보다 어류와 무척추동물에 더 많은 양이 축적된다. 동물 플랑크톤의 먹이인 식물 플랑크톤과 해조류는 생물군 중 가장 먼저 해수 농도와 비례하게 그 농도가 결정되기 때문에, 무척추동물과 어류보다 퇴적물 파라미터에 더 민감하게 반응한다. 239+240Pu은 무척추동물, 동물 플랑크톤, 어류, 해조류 순으로 생물 축적이 강하게 일어난다. 90Sr에 비해 초기 퇴적층 오염량이 1오더 낮음에도 불구하고, 무척추동물과 동물 플랑크톤의 축적량은 오히려 더 높다. 이를 비롯하여 긴 반감기와 강한 퇴적물 흡착 특성을 고려했을 때, 플루토늄은 장기적인 오염원으로 남아 저서 생태계를 오염시킬 가능성이 높으므로 지속적인 관찰이 요구된다.

EXP-WHAD를 통한 이류 및 확산 적용 실험에서는, 전반적으로 퇴적층 오염이 발생한 연안 박스와의 거리가 멀어질수록 해수의 오염이 감소하고, 그에 따라 퇴적층으로의 이동이 이루어졌다. 따라서, 각 박스 내 방사능 농도 변화는 EXP-WOHAD 실험의 해수 내 농도 변화 패턴과 유사하며, 거리에 따른 농도의 차이만이 존재한다. 마찬가지로, 생물군에 축적되는 방사능 농도도 비슷한 경향을 보였다.

본 연구에서는 방사능 해양 생물 영향 전문가 시스템을 활용하여 부유생물뿐만 아니라 저서생물 먹이망을 포함한 확장된 해양생물 먹이망 모델을 통해 해수 유동을 고려한 방사능 오염물질의 초기 오염에 대한 생물의 영향을 평가할 수 있었다. 이를 통해 해수 및 중간 퇴적층, 생물군으로의 축적은 해양 물리 환경에 민감하게 반응하며, 이는 또한 핵종에 따라 그 특성을 달리한다는 것을 확인하였다. 특히, 90Sr 및 239+240Pu 은 퇴적물 플럭스가 100배 증가했을 때, 100년 후 생물군 내 잔존량이 각각 약 900배, 30,000배 이상 작아지므로 관심 해역의 물리 환경에 따른 불확실성이 매우 높다는 것을 확인할 수 있었다. 방사성 핵종의 해양 생물 영향 예측 성능을 높이기 위해서는 부유 및 저서생태계뿐만 아니라 확산, 퇴적물의 침강 속도 등 물리 특성에 대한 연구도 지속적으로 이루어져야 할 것이다.

감사의 글

본 연구는 해양수산부가 지원하는 한국해양과학기술진흥원(KIMST)의 ‘전지구 기반 해양방사능오염 영향예측기술 개발(RS-2023-00256141)’ 과제의 지원으로 수행되었습니다.

References

Bezhenar R, Jung K. T, Maderich V, Willemsen S, With G, Qiao F. 2016;Transfer of radiocaesium from contaminated bottom sediments to marine organisms through benthic food chain in post-Fukushima and post-Chernobyl periods. Biogeosciences 13:3021–3034.
Choi Y, Kida S, Takahashi K. 2013;The impact of oceanic circulation and phas transfer on the dispersion of radionuclides released from the Fukushima Dai-ichi nuclear pwer plant. Biogeosciences 10:4911–4925.
Kim H, Kim H, Kim M. K, Kim K. O. 2023;Development of a marine radioactivity expert system based on the extended marine food web: Experiments with initial bottom contamination. Journal of Coastal Disaster Prevention 10(4):149–156.
Maderich V, Bezhenar R, Heling R, Jung K. T, de With G, Qiao F, Myoung J. G, Cho Y.-K, Qiao F, Robertson L. 2014;Regional long-term model of radioactivity dispersion and fate in the Northwestern Pacific and adjacent seas: Application to Fukushima Dai-ichi accident. Journal of Environmental Radioactivity 131:4–18.
Min B. I, Perianez R, Kim I. G, Suh K. S. 2013;Marine dispersion assessment of Cs released from the Fukushima nuclear accident. Marine Pollution Bulletin 72:22–33.
Perianez R, Suh K.S, Min B.I. 2013;Local scale marine modelling of Fukushima releases. Assessment of water and sediment contamination and sensitivity to water circulation description. Marine Pollution Bulletin 64:2333–2339.

Article information Continued

Fig. 1.

Configuration of POSEIDON-R: (a) extended marine food web including pelagic and benthic organisms, and (b) the vertical structure of a box and radionuclide transfer processes (redrawn by modifying Fig. 1 of Kim et al., 2023)

Fig. 2.

Box system configuration for the EXP-WHAD: horizontal boxes with a straight coastlines containing a nuclear power plant (P1) (redrawn by modifying Fig. 2 of Kim et al., 2023)

Fig. 3.

The observation results of sediment contamination from 2011 to 2015 taken in front of the FDNPP. Data are shown for the first and second half of each year. The top, middle, and bottom of the grey box represent the upper quartile, median, and lower quartile values, respectively. The top and bottom point of the straight line indicates the maximum and minimum values, and the diamond mark denotes the outlier point.

Fig. 4.

Time-series of 90Sr concentrations in (a), (d) the top sediments (Bq/kg), (b), (e) the middle sediments (Bq/kg), and (c), (f) the water (Bq/m3), calculated from groups C1x and C2x without horizontal advection and diffusion (EXP-WOHAD). Groups C1x and C2x investigate the sensitivities to vertical diffusivity and sediment flux, respectively.

Fig. 5.

Time-series of 90Sr concentrations in zooplankton, algae, invertebrates, and fish calculated from the respective (a)-(c) C1x and (d)-(f) C2x experiments. Groups C1x and C2x investigate the sensitivities to vertical diffusivity and sediment flux, respectively.

Fig. 6.

Same as Fig. 4, but for 239+240Pu

Fig. 7.

Same as Fig. 5, but for 239+240Pu

Fig. 8.

Time-series of 90Sr concentrations in (a), (d) the top sediments (Bq/kg), (b), (e) the middle sediments (Bq/kg), and (c), (f) the water (Bq/m3) for boxes 5, 7, 13, and 19, calculated from C1-3oa and C1-3od. Experiments C1-3oa and C1-3od consider horizontal advection and diffusion, respectively, with a large vertical diffusion coefficient (3.15 m2/s).

Fig. 9.

Time-series of 90Sr concentrations in zooplankton, algae, invertebrates, and fish calculated from C1-3oa (black lines) and C1-3od (blue lines) for boxes (a) 5, (b) 7, (c) 13, and (d) 19. Experiments C1-3oa and C1-3od consider horizontal advection and diffusion, respectively, with a large vertical diffusion coefficient (3.15 m2/s).

Fig. 10.

Time-series of 239+240Pu concentrations in (a), (d) the top sediments (Bq/kg), (b), (e) the middle sediments (Bq/kg), and (c), (f) the water (Bq/m3) for boxes 5, 7, 13, and 19, calculated from C2-1oa and C2-1od. Experiments C2-1oa and C2-1od consider horizontal advection and diffusion, respectively, with a small sediment flux (7.30 ⨯ 10-5 t/m2/s).

Fig. 11.

Time-series of 239+240Pu concentrations in zooplankton, algae, invertebrates, and fish calculated from C2-1oa (black lines) and C2-1od (blue lines) for boxes (a) 5, (b) 7, (c) 13, and (d) 19. Experiments C2-1oa and C2-1od consider horizontal advection and diffusion, respectively, with a small sediment flux (7.30 ⨯ 10-5 t/m2/s).

Table 1.

Experimental cases: Sensitivity to the sediment transport-related parameters

EXP-WOHAD (Exp. without horizontal advection and diffusion)
Notations of experiments Vertical diffusion coefficient (m2/s) Vertical sediment flux (t/m2/s)
C1-1x 0.00315 7.30 ⨯ 10-4
C1-2x 0.315
C1-3x 3.15
C2-1x 0.0315 7.30 ⨯ 10-5
C2-2x 7.30 ⨯ 10-4
C2-3x 7.30 ⨯ 10-3
EXP-WHAD (Exp. with horizontal advection only and with horizontal advection plus diffusion)
Notations of experiments
Vertical diffusion coefficient (m2/s) Vertical sediment flux (t/m2/s)
with horizontal adv. only with horizontal adv. and diff.
C1-1oa C1-1od 0.00315 7.30 ⨯ 10-4
C1-2oa C1-2od 0.315
C1-3oa C1-3od 3.15
C2-1oa C2-1od 0.0315 7.30 ⨯ 10-5
C2-2oa C2-2od 7.30 ⨯ 10-4
C2-3oa C2-3od 7.30 ⨯ 10-3