[논문 리뷰] A life cycle assessment of the ISIS-II neutron and muon source

H. M. Wakeling|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 06.

Muon and positron interactions and applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 제안된 ISIS-II 중성자 및 뮤온 소스의 생애주기 평가(LCA)를 단순화하여 제안한 것으로, 180 MeV 선형 가속기의 건설 및 운영 동안 발생하는 환경 영향에 초점을 맞추고 있다. OpenLCA와 Idemat 데이터베이스를 사용하여 분석한 결과, 건설 단계—특히 건물 및 방사선 차폐—가 가속기 부품보다 전 세계온난화영향(GWI)에 훨씬 더 큰 기여를 하며, 건설과 운영 단계의 GWI가 유사한 수준에 이르므로, 건물 및 방사선 차폐가 감축 대책의 핵심 핫스팟임을 시사한다.

ABSTRACT

The ISIS-II Neutron and Muon source is the proposed next generation of, and successor to, the ISIS Neutron and Muon Source based at the Rutherford Appleton Laboratory in the United Kingdom. Anticipated to start construction in 2031, the ISIS-II project presents a unique opportunity to incorporate environmental sustainability practices from its inception. A Life Cycle Assessment (LCA) will examine the environmental impacts associated with each of the ISIS-II design options across the stages of the ISIS-II lifecycle, encompassing construction, operation, and eventual decommissioning. This proactive approach will assess all potential areas of environmental impact and seek to identify strategies for minimizing and mitigating negative impacts, wherever feasible. This presentation will provide insights into the process and first results of the LCA of the entirety of the ISIS-II project.

연구 동기 및 목표

• 제안된 ISIS-II 중성자 및 뮤온 소스의 전체 생애주기 동안 환경 영향을 평가하기 위해.
• 지속 가능한 개발을 이끄는 데 도움이 되는 설계 단계에서의 핵심 환경 영향 핫스팟을 특정하기 위해.
• 데이터 기반의 지속 가능성 통찰을 제공하여 타당성 및 옵션 선택 과정을 지원하기 위해.
• 주요 과학 시설의 설계 초도 단계에서 환경 영향 감소를 통합함으로써 영국의 탄소중립 목표를 지원하기 위해.

제안 방법

• ISO 14040 프레임워크의 네 단계(목적 및 범위 설정, 재료 분석, 생애주기 영향 평가(LCIA), 해석)를 활용한 단순화되고 반복 가능한 LCA 수행.
• 기능 단위로 60년 운영 및 70년 폐기 단계를 포함한 전체 ISIS-II 시설을 정의.
• 초기 데이터 모델링에 OpenLCA v2.0.3와 Idemat LCA 데이터베이스를 사용하며, 향후 더 높은 정확도를 확보하기 위해 Ecoinvent로 이관 계획.
• 전 세계온난화영향(GWI) 평가를 위해 ReCiPe:2016 LCIA 방법과 중간점(H) 영향 요인을 적용.
• 불확실성 평가를 위해 로그정규분포를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 실시하며, EcoInvent 시스템의 데이터 품질 점수를 활용.
• 계층화된 불확실성 수준을 기반으로 재료 및 에너지 데이터를 추정: 측정 데이터는 0–5% 이내, 순서근사 추정치는 최대 80%까지 허용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제안된 ISIS-II 시설의 생애주기 동안 주요 환경 영향 기여 요소는 무엇인가?
• RQ2 건설 및 운영 단계가 전 세계온난화영향(GWI) 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 특히 건물, 차폐, 가속기 구조물 등 시설 구성 요소 중 어느 것이 환경 영향에 가장 큰 기여를 하는가?
• RQ4 아직 설계되지 않은 시설에 대해 재료 및 에너지 추정치의 불확실성이 LCA 결과에 얼마나 큰 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ5 LCA는 대규모 입자 가속기의 타당성 및 옵션 선택 단계에서 지속 가능한 설계 결정을 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 180 MeV LINAC 구역의 건설은 전 세계온난화영향(GWI)에 약 20 kt CO2eq 기여하며, 매우 높은 불확실성 수준을 보인다.
• 시설의 수명 기간 동안의 운영 에너지 사용은 약 40 kt CO2eq로 추정되며, 건설 영향과 동일한 수준의 영향을 미친다.
• 건물과 차폐는 건설 단계의 GWI의 95%를 차지하며, 건물은 총량의 53%, 차폐는 42%를 기여한다.
• FETS, DTL, SDTL 구성 요소는 전체 건설 GWI의 5% 미만을 기여하여, 구조적 요소가 환경 영향을 주로 차지함을 시사한다.
• 연구는 건물 및 차폐를 주요 환경 영향 핫스팟으로 특정하며, 이 분야의 설계 최적화가 영향 감소에 가장 큰 잠재력을 가짐을 시사한다.
• 결과는 대규모 과학 시설에서 초기 단계의 LCA가 중요함을 강조하며, 향후 작업에서는 불확실성 감소와 함께 폐기 단계(C) 및 전체 시설 범위로 확장될 것으로 기대된다.