항공기에서의 우주방사선 실측 및 예측프로그램에 관한 연구 = A study on the actual measurement and prediction program of cosmic radiation in an aircraft

국문 초록 (Abstract)

국문 초록

항공기에서의 우주방사선 실측 및 예측프로그램에 관한 연구

항공운항관리학과 김규왕
지 도 교 수 최연철

“하늘” 이란 특수한 업무 환경은 우주방사선에 항시 노출되며 피할 수 없는 조건이지만 국제적으로 항공승무원에 대한 안전관리가 필요하다는 인식을 가진 것은 불과 수십년 전이며, 국내에서도 2000년대 초 우주방사선에 대한 연구가 시작되었다. 2013년에 생활주변방사선 안전관리법이 제정되면서 항공승무원의 안전 및 건강관리에 대한 관심이 경주되었지만, 본격적으로 우주방사선 피폭에 대한 우려는 2018년 6월에 항공사의 전직 승무원이 급성골수성백혈병에 걸려 산업재해 신청을 하면서 우주방사선 피폭이 사회적 이슈로 대두되었다.

기존연구에 의하면 항공승무원에게 영향을 주는 우주방사선은 극지방이 상대적으로 강하며, 이 가운데 미국으로의 비행 등에서 노출빈도가 빈번한 북극항공로의 경우 가장 영향이 클 것이라고 추측 되지만 관련된 연구는 미약하며 항로에서의 우주방사선을 실측한 연구는 제한적이었다.

본 연구는 2009년 ‘북극항공로 우주방사선 안전기준 및 관리정책 개발연구’ 이외 현재까지 항공승무원 우주방사선 피폭선량에 관한 체계적이고 실증적인 연구가 미흡하였다. 또한, 매년 실시하는 생활주변 방사선 안전관리 실태조사 보고서에 따르면, 항공승무원 평균 피폭선량은 타 방사선 종사자에 대비 3∼5배 높게 피폭되고 있으며 이는 항공승무원의 건강과 질병 발생의 원인이 될 수 있다는 점과 국내 항공운송사업자가 운용하는 우주방사선 예측프로그램 신뢰도의 문제가 지속적으로 제기되고 있어서 실측을 통한 검증과 개선방안을 제시하고자 실증적인 연구를 시작하였다.

연구의 방법으로 먼저 우주방사선에 관한 이론적 배경과 용어의 정의, 고도, 위도 및 태양활동 주기에 따른 변화, 우주방사선이 인체에 미치는 영향, 국내외 우주방사선 관련 안전정책을 이론적으로 고찰하였다. 다음으로 우주방사선 예측프로그램 종류 및 노선별, 계절별(월별), HCP, 우주환경 경보, 대류권계면 고도 등 다양한 방식으로 우주방사선 예측프로그램을 이용하여 피폭선량을 분석하였으며, 우주방사선 실측 비교분석을 위해 국제선 5개 항로를 권역, 노선, 고도, 위도 및 POLAR 노선에 따른 피폭선량을 세부적으로 분석하였다.

실증 방법은 2020년 1월16일부터 2020년 12월29일까지 1년여 동안 Liulin-6K(2대) 장비로 106회의 실측 데이터를 수집하여 예측프로그램과 비교하여 보다 객관적이고 정확한 분석을 위해 실측한 피폭선량과 예측프로그램 KRAMS(CARI-6M), KREAM, NAIRAS의 데이터를 다양한 방법으로 분석하였다. 일부 구간에는 국내 개발 중인 실측 장비(TEPC, 2대)를 추가 이용하여 실측 장비 간 비교분석을 하였다.

국제선 위주로 스케줄이 편성되는 B777 운항승무원의 월 평균 비행시간을 79시간으로 가정하고 노선별로 평균 피폭선량을 실증한 결과는 다음과 같다. Liulin-6K 실측에 의한 평균 피폭선량은 월간 0.5016mSv가 예상되며 다른 예측프로그램인 KREAM에서는 0.4328mSv, CARI-6M 0.3990mSv, NAIRAS 0.5532mSv로 Liulin-6K와 NAIRAS는 년간 피폭선량 권고기준인 6mSv을 초과한 반면, KREAM과 CARI-6M은 권고기준 이하로 분석되었으며, 그간 이론적으로 설명되었던 고위도․고고도에서의 우주방사선 피폭선량은 실증결과에서 비례적으로 증가한 것으로 분석되었다. 또한, 운항이 빈번한 5개 권역별 노선의 피폭선량 분석한 결과를 통하여 고도 및 위도에 따른 피폭선량 분석 및 우주방사선 예측프로그램의 장단점과 신뢰도를 분석하였다는 점에서 본 연구의 의미가 크다고 할 수 있다.

우주방사선에 대한 본 연구의 결과는 국가 및 항공운송사업자가 항공승무원 안전관리의 방향을 제시할 수 있을 근거가 될 수 있으므로 향후 정책 수립에 기여할 수 있을 것이며, 이를 통하여 실시간 비행 정보와 연계한 한국형 우주방사선 통합시스템 구축과 함께 우주방사선이 인체에 미치는 영향과 관련된 법적 근거 마련 등에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ABSTRACT

A study on the actual measurement and prediction program of cosmic radiation in an aircraft

Researcher Kim, Kyu Wang
Advisor Choi, Youn Chul

The special work environment called “sky” is an unavoidable condition that is constantly being exposed to cosmic radiation, but it was only a few decades ago that international recognition of the need for safety management for aircrew members was recognized. It started. With the enactment of the Living Ambient Radiation Safety Management Act in 2013, interest in the safety and health management of aircrews was focused, but concerns about cosmic radiation exposure began to rise in June 2018, when a former flight attendant of an airline was diagnosed with acute myeloid leukemia and applied for the insdustrial accidents, cosmic radiation exposure emerged as a social issue.

According to previous studies, cosmic radiation that affects aircrew is relatively strong in the polar regions, and among them, it is estimated that the greatest impact is likely to be the case of the polar route, which is exposed frequently such as in flights to the United States, but the research is weak and the research on the actual measurement of cosmic radiation in the route was limited.

In this study, other than the 2009 Polar Route Cosmic Radiation Safety Standards and Management Policy Development Study, systematic and empirical studies on cosmic radiation exposure dose for flight crew members were insufficient. In addition, according to the annual survey report on radiation safety management in daily life, the average exposure dose of flight crew members is 3 to 5 times higher than that of other radiation workers, which can affect the health and disease occurrence of aircrew members. As the concern of results and reliability of the cosmic radiation prediction program operated by domestic air transport operators continues to be raised, an empirical study was started to provide verification and improvement methods through actual measurement.

As a research method, the theoretical background and definitions of terms, changes according to altitude, latitude and solar activity cycle, the effects of cosmic radiation on the human body, and safety policies related to cosmic radiation at home and abroad were theoretically considered as the research method. Next, the exposure dose was analyzed using the cosmic radiation prediction program in various ways such as cosmic radiation prediction program type and route, season (monthly), HCP, space environment warning, and tropospheric altitude. The exposure dose according to the region, route, altitude, latitude, and POLAR route was analyzed in detail for the five routes.

The empirical method was conducted from January 16, 2020 to December 29, 2020, for a more objective and accurate analysis by collecting 106 measured data with Liulin-6K (2 units) equipment for over a year and comparing it with the prediction program. Exposure dose and data from prediction programs KRAMS (CARI-6M), KREAM, and NAIRAS were analyzed in various ways. In some sections, the actual measurement equipment (TEPC, 2 units) being developed in Korea was additionally used for comparative analysis between the actual measurement equipment.

Assuming that the average monthly flight time of the B777 flight crews, whose schedule is organized mainly for international flights, is 79 hours, the results of demonstrating the average exposure dose for each route are as follows. The average exposure dose according to Liulin-6K measurement is expected to be 0.5016 mSv per month. In KREAM, another predictive program, 0.4328 mSv, CARI-6M 0.3990 mSv, and NAIRAS 0.5532 mSv, Liulin-6K and NAIRAS exceed the recommended annual exposure dose of 6 mSv. On the other hand, KREAM and CARI-6M were analyzed below the recommended standards, and the theoretically explained cosmic radiation dose at high latitudes and high altitudes was analyzed to increase proportionally from the empirical results.

In addition, the significance of this study is notable in that it analyzed the strengths and weaknesses and reliability of exposure dose analysis according to altitude and latitude and the cosmic radiation prediction program through the results of analysis of exposure doses on routes for each of the five frequent flights.

The results of this study on cosmic radiation can serve as a basis for national and air transportation operators to suggest directions for aircrew safety management, so it will be able to contribute to policy establishment in the future. Along with the establishment of the integrated system, it will be valuably used for preparing the legal basis for the effects of cosmic radiation on the human body.








Key words: Aircrew, Cosmic radiation, Actual measurement, Prediction program, Exposure dose

목차 (Table of Contents)

• <목 차>
• 국문 초록 Ⅸ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.1.1 연구 배경 1
• 1.1.2 연구 목적 2
• 1.2 연구 범위 및 기대효과 3
• 1.2.1 연구 범위 3
• 1.2.2 연구 진행 4
• 1.3 기대 효과 5
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 2.1 우주방사선 이해 6
• 2.1.1 우주방사선 정의 6
• 2.1.2 용어의 정의 7
• 2.2 우주방사선의 특성 8
• 2.2.1 개요 8
• 2.2.2 고도 및 위도에 따른 변화 8
• 2.2.3 태양활동주기에 따른 변화 12
• 2.3 우주방사선과 항공승무원 관련성 연구 14
• 2.3.1 우주방사선이 인체에 미치는 영향 14
• 2.3.2 방사선 방호 기본 단위와 Cutoff Rigidity 18
• 2.3.3 항공승무원과 우주방사선 24
• 2.4 국내외 우주방사선 관련 안전 정책 24
• 2.4.1 해외 우주방사선 관련 법 규정 및 안전 정책 24
• 2.4.2 국내 우주방사선 관련 법 규정 및 안전 정책 28
• 2.4.3 국내 관련 정부기관 및 항공운송사업자의 우주방사선 안전 정책 29
• 제 3 장 우주방사선 예측프로그램 실증분석 32
• 3.1 우주방사선 예측프로그램 32
• 3.1.1 CARI-6M 32
• 3.1.2 KREAM 33
• 3.1.3 SAFE(NAIRAS, CARI-6M) 34
• 3.1.4 KRAMS 35
• 3.2 노선별 우주방사선 피폭선량 비교 분석 35
• 3.2.1 분석 방법 35
• 3.2.2 국제선 5개 노선 우주방사선 분석 37
• 3.3 계절(월별) 우주방사선 피폭선량 비교 분석(뉴욕노선) 42
• 3.3.1 분석 방법 42
• 3.3.2 CARI-6M 피폭선량 분석 42
• 3.3.3 NAIRAS 피폭선량 분석 44
• 3.3.4 예측 프로그램별 결과 종합 비교 44
• 3.4 HCP 값과 주요 노선의 우주방사선 피폭 분석 45
• 3.4.1 HCP 45
• 3.4.2 HCP와 분석방법 46
• 3.4.3 뉴욕노선과 HCP 47
• 3.4.4 방콕노선과 HCP 48
• 3.4.5 기타 노선과 HCP 48
• 3.4.6 HCP 결과 종합 비교 49
• 3.5 우주환경 경보 관련 우주방사선 피폭량 분석 49
• 3.5.1 우주환경 예보 49
• 3.5.2 분석 방법과 우주방사선 경보 50
• 3.5.3 우리나라 최근 9년간 우주환경 특보(S단계) 발생 현황 50
• 3.5.4 우주환경 경보 S2/3 발령에 따른 피폭선량 분석 51
• 3.6 대류권계면 고도에 따른 피폭선량의 비교 분석 53
• 제 4 장 우주방사선 실증 분석 62
• 4.1 우주방사선 실측 장비 62
• 4.1.1 Liulin-6K 62
• 4.1.2 TEPC 64
• 4.1.3 Liulin-6K과 TEPC 비교 65
• 4.2 우주방사선 실측 비교 분석 71
• 4.2.1 분석 방법 71
• 4.2.2 국제선 5개 항로 권역별 우주방사선 실측 분석 74
• 4.2.3 국제선 5개 노선에 대한 우주방사선 실측 자료 80
• 4.2.4 북극항공로 분석 94
• 4.2.5 고도, 위도, POLAR 노선에 따른 실측값의 비교 분석 96
• 제 5 장 결 론 122
• 5.1 연구의 종합 122
• 5.2 우주방사선 안전 관련 정책적 시사점 124
• 5.3 우주방사선 관련 항공승무원 안전관리 방안 126
• 5.4 향후 연구 방향 128
• 참고문헌 129
• ABSTRACT 133
• < 부록 1> 우주방사선 실측 검증 자료(106편) 136
• < 부록 2> 실측 구간분석을 위해 코딩으로 산출한 그림 데이타 140

참고문헌 (Reference)

1. 우주방사선 측정장비 개발, 남욱원, 한국천문연구원, , 2016

2. 북극 항로 우주방사선 안전기준 및 관리정책,, 황정아, 항공진흥 제53호. 한 국항공협회, , 2010

3. 항공승무원의 우주방사선 피폭 저감에 관한 연구, 안희복, 한국항공운항학회 지 제28권 제1호, 한국항공운항학회, , 2020

4. 북극항공로 우주방사선 안전기준 및 관리정책 개발연구, 이재진, 한국천문연구원, , 2009

5. 직∙간접디지털 파노라마 방사선 촬영시 흡수선량과 유효선량, 김재덕, 김진수, 이근선, 대한구강안면방사선학회지, 40(1), , 2010

6. 우주기상에 의한 극항로 항공기상 모델 현업화 및 우주기상 서비스 체계 개선연구, 기상청, , 2015