방사능 오염에 의한 피부피폭 관리를 위한 선량평가 절차 및 컴퓨터 코드 개발

Abstract

피폭의 높은 선량 피폭은 홍반, 진피조직의 궤양, 피부암 등을 유발할 수 있다. 피부나 의복의 방사능 오염에 의한 피부피폭은 매우 국부적이어서 개인선량계로 피부의 등가선량을 측정하는 것이 어렵기 때문에 사람의 오염을 검출하고 정량화하여 그 결과로부터 적절한 방법으로 선량을 평가해야 한다. 이 연구에서는 비밀봉 방사성물질을 다루는 원자력시설에서 피부피폭 관리를 위한 새롭고 실용적인 절차와 전산 수단을 개발하였다. 피부선량 평가를 개시하는 지시자로서 피부 선량한도, 오염 잠재빈도 및 베타 계수율과 피부선량률 상관관계에 근거하여 팬케이크 GM 검출기를 갖는 표준 프리스커로 측정된 계수율 600 ccpm (corrected counts per minute)을 스크리닝 준위로 도출하였다. 낮은 준위 오염에 대해서는 계수율과 피부 선량률을 직접 연계하는 선량평가 모델을 제공하였다. 시료채취, 감마 분광분석, 피부선량 계산으로 이어지는 상당한 노력을 필요로 하는 상세 선량평가의 개시를 위한 스크리닝 준위로는 12000ccpm을 제안하였다. 고방사능입자(hot particle) 이슈와 관련하여 그러한 입자를 탐색하는 스크리닝 준위로는 24000ccpm을 권고하였다. 상세평가에 사용하기 위해 새로운 전산코드 K-SKIN을 개발하였다. K-SKIN은 단일 에너지 전자의 점커넬을 이용하여 오염 아래 피부 면적의 선량분포를 계산한다. 선량분포를 얻기 위해 오염 방사성핵종의 베타 스펙트럼에 대해 점커넬을 평균하고, 오염면적에 대해 점커넬 데이터의 수치적분과 보간법을 적용하여 베타 선량을 산출한다. 해당되는 경우 감마에 의한 피부선량은 감마상수와 평균 감마 에너지를 이용하여 산출한다. 나아가 K-SKIN은 지표핵종인 Ce-141과 Ce-144의 측정된 방사능으로부터 조사된 핵연료 파편입자 내에 존재하는 핵분열생성물 핵종들의 방사능을 평가하여 피부선량을 계산하는 기능도 제공한다. K-SKIN은 기본적으로 점오염, 면적 오염, 체적 오염의 가지 형태에 대해 선량을 평가할 수 있다. 선량 산출 과정에서 후방 산란 보정, 체적 선원의 자체 차폐, 공기층 등 차폐물에 의한 감소를 고려한다. K-SKIN은 MATLAB 언어를 쓰며 사용자 편의를 위한 GUI를 제공한다. K-SKIN 검증을 위하여, 점, 면적, 그리고 체적 오염에 의한 피부 선량을 계산하고, 결과를 다른 점커넬 코드 VARSKIN 3 결과 및 MCNPX 몬테칼로 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 평가한 모든 경우에, K-SKIN 결과는 VARSKIN 3 및 MCNPX 결과와 ±20 % 범위에서 일치하였다. 다양한 피부 깊이에서의 선량은 깊은 영역에서 K-SKIN의 결과가 MCNPX 시뮬레이션의 결과와 유사한 경향을 보였다. 이는 에너지손실 교란을 고려한 점커넬 데이터를 K-SKIN에 적용한 결과이다. K-SKIN을 이용하여 산출한 결과로 피부선량 평균면적 문제에 대해 분석하였다. 고방사능입자처럼 점에 가까운 오염의 경우 선량분포가 좁은 피크를 형성하는 특성 때문에 미국의 관행처럼 의도적으로 10cm2 면적에 대해 평균하는 것은 선량계측 개념을 손상한다. 하나의 대안은 선량평가 개념을 손상하는 대신 고방사능입자 피폭 빈도가 낮은 점을 고려하여 선량한도의 시행에 단계적 접근을 도입하는 것이다. 또 다른 대안으로서 피부 등가선량 한도를 높이되 유효선량 평가에서는 더 넓은 선량 평균면적을 적용하는 방안을 제안하였다. 본 연구에서 개발된 피부선량평가 절차와 계산 수단은 원자력시설에서 피부선량평가에 편의를 제공할 것이며 기존 관행에서 방호피폭을 벗은 다음에 측정한 오염만을 피부선량평가에 적용함으로써 발생하는 감시되지 않는 피부피폭 문제를 해결하는 데 도움이 될 것이다.; High doses to skin lead to harmful effects to the exposed skin, such as skin erythema, severe deep ulceration of the dermis, and cancer induction. Skin exposure due to contamination on skin or clothing is highly localized and the skin dose equivalent cannot be adequately measured by a personal dosimeter, which calls for detection and quantification of personal contamination and appropriate assessment of skin doses from the results. In this study, new and pragmatic procedures and a computational tool are developed for skin exposure control at a nuclear facilities involving unsealed radioactive material. As a trigger for initiation of skin dose assessment, a screening level of 600 ccpm (corrected counts per minute) measured with a standard frisker having a pancake GM detecter is derived based on the dose limit to skin, potential frequency of contamination, and correlations between beta count rates and estimated dose rates to skin. A quick dose assessment model directly relating count rates to skin dose rates was provided for use at lower level contamination. For initiation of detailed dose assessment, which requires considerable efforts such as sampling of contaminant, gamma spectroscopy and computation of skin doses, a screening level of 12000 ccpm is proposed. With respect to the hot particle issue, a screening level of 25000 ccpm is recommended for initiation of actions to search hot particles. For use in the detailed skin dose assessment, a new computer code, K-SKIN, has been developed. The K-SKIN code calculates dose distribution over the area under contamination using point kernels of monoenergetic electrons. These kernels are averaged over the beta spectra of contaminated radionuclides to get the dose distributions. Then beta dose rates to the skin are calculated by numerical integration of point kernel data over contaminated area. Photon dose rates, if involved, are calculated using the specific gamma-ray dose constant for the radionuclides. K-SKIN also has auxiliary functions calculating skin doses from a irradiated nuclear fuel particle by estimating activities of mixed fission products in the fuel particle from the measured activity of indicator nuclides: Ce-141 and Ce-144. Three predefined source types are arranged: point, disk, and cylinder. Backscatter correction, source self-shielding of a volume source, and reduction by the shielding material and air gap are considered during dose calculation. K-SKIN employs MATLAB as the coding tool and provides graphical user interface. To verify K-SKIN, skin doses from point, disk and cylinder sources were calculated and compared with results obtained from another point kernel code VARSKIN 3 and Monte Carlo simulation code MCNPX. Calculated results agreed within ± 20 %. The skin doses at various depths show that the inclusion of energy-loss straggling in the point kernel improves the accuracy of beta dose calculation at deep region. Issue on the skin dose averaging area is also analyzed with the results of calculated dose with K-SKIN. Due to the narrowly peaked nature of skin dose distribution in case of dot-like contamination such as a hot particle, intentional use of 10cm2 as the dose averaging area as in the practice of the United States compromises the concept of dosimetry. An alternative option addressing a graded enforcement of the skin dose limit, considering the low probability of hot particle exposure, is proposed to avoid compromising the dosimetry concept. Another option is also proposed, which involves increase of skin equivalent dose limits and application of a larger averaging area for calculation of effective dose. The new procedures and the computational tool will facilitate control of skin exposure at nuclear facilities and resolve the problem of unmonitored exposure of skin in current practice where contamination monitoring for skin dose assessment is done only after taking-off the protective clothing.