[논문]50 MeV 사이클로트론 조사 서비스로 인한 방사화 평가

김상록; 김기섭; 허재승; 안윤진

doi:10.7742/jksr.2021.15.4.415

50 MeV 사이클로트론 조사 서비스로 인한 방사화 평가
Evaluating Activation for 50 MeV Cyclotron Irradiation Service using Monte Carlo Method and Inventory Code 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.15 no.4, 2021년, pp.415 - 427

김상록 (한국원자력의학원 방사선안전관리팀) , 김기섭 (한국원자력의학원 방사선안전관리팀) , 허재승 (한국원자력의학원 방사선안전관리팀) , 안윤진 (한국원자력의학원 방사선안전관리팀)

초록
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한국원자력의학원에서는 50 MeV 사이클로트론의 빔 라인을 이용하여 연구자들에게 다양한 빔 조사 서비스를 수행하고 있다. 특히 중성자 빔 서비스는 양성자와 베릴륨의 핵반응을 이용하기 때문에 높은 전류를 사용하므로 조사 시료의 방사화 가능성이 높아진다. 본 연구에서는 연구자들이 선호하는 35 MeV 20 ㎂ 중성자 빔 서비스에 의해 발생 가능한 방사화에 대해 MCNP 6.2와 FISPACT-II 4.0을 이용해 평가했다. 평가결과 철, 구리, 텅스텐 시료는 1시간 이상 조사하는 경우 장반감기 핵종이 생성되는 방사화가 발생하여 자체처분농도를 초과했다. 매일 2시간 사용 조건에서 건축물에 대한 방사화는 발생하지 않았고 조사실 내부 공기의 방사화로 인한 종사자의 내부피폭은 매우 미비했고, 이 공기를 배기하는 경우 배출기준도 만족했다.

Abstract ▼ AI-Helper

Korea Institute of Radiological and Medical Sciences has provided various beam irradiation services to researchers using a 50 MeV cyclotron beam line. In particular, since the neutron beam service uses the nuclear reaction between protons and beryllium, the possibility of activation of the irradiated sample increases by using a high current. In this study, MCNP 6.2 and FISPACT-II 4.0 were used to evaluate the possible activation during the 35 MeV 20 ㎂ neutron beam service, which is preferred by the researchers. As a result of the calculation, if the iron, copper, and tungsten samples were irradiated for more than 1 hour, long-lived radioisotopes were produced and their radioactivity exceeded the standard level for self-disposal. Under the conditions of 2 hours of daily irradiation, no activation occurred in the building materials, and the internal exposure of workers due to air activation inside the irradiation room was very insignificant. And when this air was discharged to environment, the radioactivity including this air was also satisfied the emission standard.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. View of the irradiation room (a) and cross-section (b)
표 Table 1. Characteristics of proton beam produced by 50 MeV cyclotron using in this study
그림 Fig. 2. Divided space of irradiation room. (a) is the space under the room for maintaining the gantry structure, (b) is the irradiation room, and (c) is the upper space of the room. The numbers beginning the character 'f' are tally numbers for MCNP calculations. The unit is mm.
그림 Fig. 3. Neutron energy spectrum produced by the interaction of 35 MeV protons and a 10.5 mm thick beryllium target.
그림 Fig. 4. Neutron flux in divided space inside the irradiation room.
그림 Fig. 5. Neutron energy spectrum in tally No. f164 in the irradiation room.
표 Table 2. Chemical composition of materials
표 Table 3. Inventory calculation results for a steel immediately after irradiation for 15 s and the evaluation of permission for self-disposal. Nuclide not specified in the regulations are indicated in parentheses, and 0.1 Bq·g^-1 is applied
표 Table 4. Inventory calculation results for a steel 1 day and 7 days later after irradiation for 15 s, and the evaluation of permission for self-disposal.
그림 Fig. 6. Inventory calculation results to trace the specific activities of nuclides produced by irradiating a steel for some minutes (a), 1 hour (b), and 8 hours (c); a copper for some minutes (d), 1 hour (e), and 8 hours (f); a aluminum for 15 seconds (g), 1 minutes (h), 5 minutes (i), 1 hour (j), and 8 hours (k); a tungsten for some minutes (l), 1 hour (m), and 8 hours (n).
표 Table 5. Characteristics of radioactive waste generation according to irradiation conditions

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내 연구자들에게 빔 조사 서비스를 제공하는 한국원자력의학원 50 MeV 사이클로트론 조사실의 중성자 생성 특성을 계산하고, 이로 인한 타겟, 시설물 및 조사실 공기의 방사화를 평가하여 조사 계획 시점에서 타겟, 시설물 및 조사실 공기의 방사화 여부를 판단할 수 있는 기초자료를 만들고, 차후 조사서비스로 인해 생성된 방사화 폐기물의 처분을 위한 실측작업의 기초자료를 만들고자 한다.

가설 설정

즉, 중성자선를 제공할 경우 가장 많은 중성자가 발생한다. 따라서 이 연구에서는 중성자선의 제공 상황을 가정하여 모든 계산을 수행했다. 중성자선을 제공하는 경우 사용자가 선호하는 빔의 특성은 Table 1와 같다.
조사실 하부, 조사실, 조사실 상부를 각각 6개, 12개, 9개의 육면체로 분할하여 가장 높은 중성자 플럭스가 계산된 f164의 중성자 플럭스와 에너지 분포를 이용하여 건축 구조물의 대표적인 재질인 콘크리트와 철에 대한 방사화를 평가했다. 조사 시간은 2시간으로 가정했으며, 조사 직후, 1분 후, 10 분 후, 1시간 후, 4시간 후, 24시간 후 방사화 생성물의 비방사능을 계산했다.

제안 방법

1과 같이 조사실 하부 및 갠트리 뒷면에 기기의 가동 및 정비를 위한 공간이 있는 구조이다. 이 연구에서는 에너지 분포를 구하기 위한 격자의 한 변의 길이가 2-3m 정도인 육면체로 만들기 위해 조사실 내부를 조사실 하부, 조사실, 조사실 상부로 구분하였고, Fig. 2과 같이 이를 각각 6개, 12개, 9개로 분할했다.
이에 본 연구에서는 원자력의학원에서 운영하는 사이클로트론 빔 조사 서비스 과정에서 발생 가능한 방사화를 예측하고자, 빔 조사에서 발생하는 중성자 특성을 계산하고, 조사 대상, 조사실 구성물질 및 조사실 공기에 대한 방사화 특성을 평가하였다.
조사실 하부, 조사실, 조사실 상부를 각각 6개, 12개, 9개의 육면체로 분할하여 가장 높은 중성자 플럭스가 계산된 f164의 중성자 플럭스와 에너지 분포를 이용하여 건축 구조물의 대표적인 재질인 콘크리트와 철에 대한 방사화를 평가했다. 조사 시간은 2시간으로 가정했으며, 조사 직후, 1분 후, 10 분 후, 1시간 후, 4시간 후, 24시간 후 방사화 생성물의 비방사능을 계산했다.

대상 데이터

중성자선을 제공하는 경우 사용자가 선호하는 빔의 특성은 Table 1와 같다. 베릴륨 타겟과 시료와의 거리는 시료의 크기에 따라 달라지므로, 대형 시료 조사를 가정하여 보수적인 평가를 위해 양성자의 진행방향으로 베릴륨 타겟을 20 cm 지난 지점의 중성자 플럭스와 에너지 분포를 계산에 사용했다.

성능/효과

0을 이용하여 원자력의학원에서 운영하는 사이클로트론 빔 조사 서비스 과정에서 발생하는 방사화를 계산하여 조사 대상이 방사화되는 조사 조건을 확인했고, 빔 조사 서비스로 인해 조사실을 구성하는 건축물은 방사화되지 않음을 증명했다. 동시에 조사실 내부 공기의 방사화로 인한 내부피폭량을 평가하고, 이 공기의 배기가 배출기준을 만족함을 확인했다.
방사화 가능성이 높은 철, 구리, 알루미늄, 텅스텐을 대표 조사대상으로 선정하여 조사시간에 따른 방사화폐기물 발생가능성을 평가한 결과, 일반적인 조사상황인 조사시간 15초, 1분, 5분인 경우 조사 직후 방사화에 의해 시료의 방사능이 자체처분농도 이상인 경우는 있지만, 1개월 동안 보관하는 경우 모든 시료가 자체처분농도 이하로 낮아졌다. 그러나 최악상황을 가정하여 조사시간을 1시간 및 8시간으로 계산한 경우 알루미늄을 제외한 철, 구리, 텅스텐에서는 1개월이 지나도 자체처분농도를 초과하는 방사화가 발생하였다.
본 연구에서는 MCNP 6.2와 FISPACT-II 4.0을 이용하여 원자력의학원에서 운영하는 사이클로트론 빔 조사 서비스 과정에서 발생하는 방사화를 계산하여 조사 대상이 방사화되는 조사 조건을 확인했고, 빔 조사 서비스로 인해 조사실을 구성하는 건축물은 방사화되지 않음을 증명했다. 동시에 조사실 내부 공기의 방사화로 인한 내부피폭량을 평가하고, 이 공기의 배기가 배출기준을 만족함을 확인했다.

후속연구

다만 차후에는 조사실 내부를 개념적으로 구획한 격자를 더 작게 설정하여 조사실 내부의 건축구조물과 공기에 대한 방사화 평가를 더 세분하여 평가할 필요가 있으며, 선호되는 에너지 뿐 아니라 운영 가능한 최대 에너지를 이용한 평가 역시 필요하다고 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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