논문 ICRP 기준팬텀기반의천연방사성핵종이포함된가공제품사용으로인한피폭선량특성평가 유도현, 이현철, 신욱근, 최현준, 민철희 * 연세대학교방사선융합공학과 2014 년 8 월 17 일접수 / 2014 년 9 월 25 일 1 차수정 / 2014 년 11 월 5 일 2 차수정 / 2014 년 11 월 10 일채택 국내에서는 2012 년천연방사성핵종이포함된가공제품의규제를위해생활주변방사선안전관리법이시행되었지만, 해당가공제품사용에대한인체피폭선량을평가할수있는기초자료나피폭선량평가기술이미비하다. 따라서본연구는사용자피폭선량을정량적으로평가하기위한방법을제안하고, 방사선의종류및에너지에따른피폭선량특성의확인을목적으로한다. 피폭선량평가를위해서몬테칼로방법을사용한 Monte Carlo N-Particle Extended (MCNPX) 코드를통해 International Commission on Radiological Protection (ICRP) 의기준팬텀이전산모사되었으며, 대표적천연방사성핵종인우라늄계열에서발생되는알파선, 베타선, 감마선의최소, 중간, 최대에너지가선원항으로사용되었다. 연간유효선량은가공제품사용시간및사용위치를고려한피폭시나리오를기반으로평가되었다. 짧은비정의알파선및베타선은대부분의선량을피부에전달한반면, 감마선은대부분의장기에유사한선량을전달하였다. 방사능이 1 Bq g -1 인돌침대에포함된천연방사성핵종의함유율이 10% 라고가정하고한국인평균수면시간인 7 시간 50 분간돌침대를사용하였을때최대연간유효선량은알파선, 베타선, 감마선에대해서각각 0.0222, 0.0836, 0.0101 msv y -1 로평가되었다. 중심어 : 천연방사성핵종, 가공제품, 몬테칼로전산모사, MCNPX, ICRP 기준팬텀 1. 서론 1) 급속한산업화와지하광물자원의개발이활성화되면서지하에매장되어있던다량의천연방사성핵종들이일반인의일상생활에노출되었고, 후쿠시마원자력발전소사고와서울시노원구아스팔트에서다량의방사능이검출됨에따라방사선에대한일반인의우려가크게증대되었다. 또한천연방사성핵종이포함된가공제품들이온라인, 오프라인판매망을통해유통되면서이런가공제품사용은일반인의불필요한방사선피폭을증가시키고있다. 미국의 Environmental Protection Agency (EPA) 와 Nuclear Regulatory Commission (NRC) 는천연방사성물질의순도를높인가공제품의생산및유통에대한규제를고려하고있다 [1]. 일본의 Ochanomizu 대학의연구팀은자국내유통되고있는천연방사성핵종이포함된가공제품을 9 개의범주로분류한뒤 High Purity Germanium (HPGe) 검출기로가공제품의방사능을측정하였고, 가공제품사용으로인체가받게되는피폭선량을평가하기위해피부등가선량환산계수를사용하여인체피폭선량을평가하였다 [2]. 또한, 스페인의 Cadiz 대학과이집트 Zagazig 대학은자국내유통되는천연방사성핵종을원 교신저자 : 민철희, chmin@yonsei.ac.kr 강원도원주시연세대길 1 연세대학교원주캠퍼스방사선융합공학과 료로하는원자재에대한방사능계측연구를수행한바있다 [3,4]. 하지만, 이러한연구에사용된수치해석적선량평가방법은다양한장기로구성되어있는실제인체의장기별민감도를고려하지않기때문에정확한유효선량평가에는한계가있다. 국내에서는생활주변에서접할수있는방사선의안전관리를강화하기위해기존의방사선안전관리범위를인공방사선중심에서자연방사선으로확대시키는 생활주변방사선안전관리법 이 2012 년 7 월부터시행되었다 [5]. 생활주변방사선안전관리법은천연방사성핵종을포함하는원료물질, 공정부산물에대한규제뿐만아니라일반인이받게되는피폭선량과밀접한관계가있고일상생활에서쉽게접할수있는천연방사성핵종이포함된가공제품사용에대한규제를포함하고있다. 하지만, 천연방사성핵종이포함된가공제품을사용함으로써받게되는일반인피폭선량을평가할수있는기반기술이개발되지않았으며, 가공제품에대한현황및기초자료가부족하다. 본연구는천연방사성핵종이포함된가공제품사용으로인한피폭선량을정량적으로평가할수있는기술의개발과, 방사선의종류및에너지에따른피폭선량의경향성확인을목적으로한다. 본연구에서는 2007 년일반인연간한도선량인 1 msv y -1 를초과하는높은방사능이검출되었던돌침대를대표적가공제품으로가정하고, ICRP 기준팬텀과몬테칼로전산모사를통 http://dx.doi.org/10.14407/jrp.2014.39.4.159 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014 159
해유효선량평가를수행하였다. 2. 재료및방법 2.1 ICRP 기준팬텀유효선량은인체내조직간선량분포에따른위험정도를하나의양으로나타내기위해각조직의등가선량에조직가중치를곱하여합산한양으로정의되며, 방사선방호의대표적인단위로사용되고있다 [6]. 하지만, 유효선량은실제인체를대상으로측정할수없기때문에가상의인체모델과전산모사를이용해서만계산될수있다. ICRP 는체적소형모의피폭체를기반으로인체조직이나장기에기여하는방사선량을계산하고이를통해유효선량을평가할수있도록전산모사용기준팬텀을제공하고있다 [7]. 본연구에서는 ICRP report 110 에서제공하는기준팬텀과몬테칼로방법을사용하는 MCNPX 코드를통해천연방사성핵종으로부터받게되는피폭선량이평가되었다. ICRP 기준팬텀은백인남성및백인여성의실제 computed tomography (CT) 영상을바탕으로제작되었으며유효선량평가를위한장기와조직들이포함되어있다. 남성팬텀은 2.13 2.13 8.00 mm 3 ( 가로 세로 높이 ) 크기의복셀로구성되어있으며, 여성팬텀은 1.77 1.77 4.84 mm 3 ( 가로 세로 높이 ) 크기의복셀로구성되어있다. ICRP 기준팬텀은 29 개의장기로구성되어있으며각장기는고유번호가부여되어장기별로독립적인피폭선량을평가할수있도록개발되었으며, Table 1 은남성및여성기준팬텀의주요특성을보여준다. Table 1. Main Characteristics of the Adult Male and Female ICRP Phantom. Property Male Female Height (m) 1.76 1.63 Mass (kg) 73.0 60.0 Number of tissue voxels 1,946,375 3,886,020 Slice thickness (voxel height, mm) 8.00 4.84 Voxel in-plane resolution (mm) 2.137 1.775 Voxel volume (mm 3 ) 36.54 15.25 Number of columns 254 299 Number of rows 127 137 Number of slices 220 346 2.2 몬테칼로전산모사몬테칼로전산모사코드는 3 차원의공간에서기하학적모형과물질특성을전산모사하고, 각각의방사선입자수송해석을통해매질에전달된선량분포를정밀하게계산할수있다. 본연구에서는범용적으로사용되는몬테칼로전산모사코드중하나인 MCNPX 버전 2.7 이사용되었으며 ICRP 기준팬텀이받게되는장기별등가선량및연간유효선량이평가되었다. 대표적천연방사성핵종인 238 U 은 8 회의알파붕괴와 6 회의베타붕괴및다수의감마붕괴를한뒤최종적으로안정된 206 Pb 으로변하게된다. 천연방사성핵종에서발생되는방사선입자의종류및에너지에따른유효선량의경향성을확인하기위하여 ICRP 기준팬텀을이용한전산모사가수행되었으며, 선원항으로는 Radiation Decay 프로그램을통해우라늄붕괴계열에서발생되는알파선, 베타선, 감마선의최소, 중간, 최대에너지가사용되었다. Radiation Decay 프로그램은방사성붕괴를통해발생되는 3,000 여종의핵종에너 Fig. 1. ICRP Reference phantom and source position: LLAT with source position of PA (left) and AP with source position of PA (right). 160 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014
지, 반감기, 붕괴율등다양한물리량을제공하며, 미국브룩헤이븐국립연구소국가핵데이터센터의데이터베이스를바탕으로구동된다. 본연구에서는천연방사성핵종이포함된가공제품으로방사능, 천연방사성핵종의함유율, 크기, 질량이각각 1 Bq g -1, 10%, 100 200 10 cm 3, 100 kg 싱글사이즈의돌침대를가정하였다. 피폭시나리오는통계청의생활시간조사를참고하여한국인평균수면시간인 7 시간 50 분을돌침대의사용시간으로결정하였으며 [8], 선원의방향은 anterior-posterior (AP), posterior-anterior (PA), leftlateral (LLAT), right-lateral (RLAT) 로결정하고네방향의평균선량계산을통해유효선량이결정되었다. 일반적으로 ICRP 에서는피사체의피폭방향에따른유효선량환산인자를제공하지만, 본연구에서는개인별로그리고각개인도매일수면자세가다를수있기때문에특정방향만을고려하지않고네방향의평균값을유효선량으로결정하였다. 본연구는우라늄붕괴계열에서발생되는알파선, 베타선, 감마선의에너지에따른연간유효선량의경향성을확인하기위해, 돌침대에포함된방사능의농도는 International Atomic Energy Agency (IAEA) 에서제공되는 Safety Standard Series No. PS-G-1.7 에따라 1 Bq g -1 로가정하였다 [9]. 238 U 에서 206 Pb 로붕괴되는과정에서발생되는다양한방사선중에서, 알파선, 베타선, 감마선의최소, 중간, 최대에너지만이전산모사에사용되었다. Fig. 1 은전산모사가수행된 ICRP 기준팬텀의 LLAT 방향의단면영상과 PA 방향에위치한선원을보여준다. MCNPX 코드에서는다양한 tally 옵션들을통해다양한종류의방사선량을계산할수있다. 본연구는 MCNPX 에서제공하는 f6 tally 를통해 J kg -1 의장기별흡수선량을계산하고, ICRP 116[10] 에서권고된방사선가중치와조직가중치를고려하여유효선량을평가하였다. 돌 침대는시중에많이유통되고있는구성성분인화강암 (Granite) 으로선택하였으며, Homeland Security 에서발행된 Compendium of Material Composition Data for Radiation Transport Modeling 데이터를사용하였다 [11]. ICRP report 110 의권고에따라남성팬텀과여성팬텀의등가선량평균값이계산되었고, 이를통해최종적으로유효선량이평가되었다. 몬테칼로전산모사는리눅스기반의 Ubuntu 12.04 LTS 로운영되는 1.4 GHz 옥타코어가사용되었으며, 10 8 개의초기입자에대한계산시간은알파선, 베타선, 감마선에대해서각각평균약 12 시간, 20 시간, 8 시간이었다. 3. 결과및논의 3.1 알파선에의한장기선량 Radiation Decay 프로그램을통해결정된우라늄계열에서발생되는알파선의최소, 중간, 최대에너지는각각 3.7923, 5.4074, 7.6871 MeV 로결정되었다. 알파선에의한장기별피폭선량평가를위해알파선의비정거리는식 1 을통해계산되었다. ( 식 1) 식 1 에서 E 는알파입자의에너지 (MeV) 이며 R 은알파선의공기중비정거리 (cm) 을나타낸다. 선별된알파선의최소, 중간, 최대에너지에해당하는공기중비정거리는각각 2.12, 4.09, 6.91 cm 이며상대적으로밀도가높은조직에서는더짧은비정거리를갖게된다. 따라서본연구에서사용된 ICRP 기준팬텀의복셀크기 ( 남성 : 2.13 2.13 8.00 mm 3, 여성 : 1.77 1.77 4.83 mm 3 ) 와선 Fig. 2. Comparison of average organ equivalent dose with alpha particles according to the energy variation. JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014 161
Fig. 3. Organ equivalent dose for alpha particles with the source direction of AP, PA, LLA and RLA. 162 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014
원의위치를고려했을때 3.7923, 5.4074 MeV 알파선은 ICRP 기준팬텀의최외각층을구성하고있는피부에만선량을전달하거나, 피부근처에위치한장기들에일부선량을전달할수있다. Fig. 2 는 4 방향 (AP, LLA, PA, RLA) 에서수행된알파선의전산모사결과를평균한장기별등가선량그래프를보여주며피부및피부근처에위치한뼈표면, 근육, 흉부외의기도에주로선량이전달되는특성이확인되었다. 4 방향의선량을각각비교한 Fig. 3 에는전신을둘러싸고있는피부, 근육은모든방향에서선량이전달되었으며, AP 방향의전산모사에서는흉부외의기도와가슴부근에도선량이전달되었다. 알파선의에너지가증가할수록비정거리가증가하기때문에, 등가선량은피부보다근육에서더크게증가하였다. 우라늄계열에서발생될수있는최대에너지인 7.6871 MeV 의알파선은피부에가장많은선량을전달하였으며, 림프절에도선량이전달될수있음이확인되었다. 3.2 베타선에의한장기선량우라늄계열에서발생될수있는베타선중에서최소, 중간, 최대에너지는 0.0634, 1.5322, 5.4821 MeV 로결정되었다. 베타선은알파선과유사하게피부와같이표면에위치한장기에높은선량을전달하였지만베타선의에너지에따른전산모사결과에서는 (Fig. 4) 대부분의장기에도소량의선량이전달되었음을보여준다. 하지만인체장기의방향별특성으로인해최소에너지의베타는방광의경우 AP 방향에서수행된전산모사에서만선량이전달되는방향별선량의특이성을보였다. Fig. 5 는 4 방향 (AP, LLA, PA, RLA) 에서수행된베타입자의전산모사결과를평균한장기별등가선량결과를보여주며, 에너지가증가할수록장기별등가선량은증가하는경향성이확인되었다. 짧은비정거리로인해 0.0634 MeV 베타입자는 다른장기에비해피부에많은선량을전달하였고나머지장기에비해최소 50 배에서최대 50 만배의선량차이가확인되었다. 1.5322, 5.4821 MeV 베타또한모든장기에선량을전달하였지만다른장기에비해서피부에높은선량이전달되는경향성이확인되었다. 중간, 최대에너지베타선의각방향에따른장기별선량특성은 1.5322 MeV 의경우모든방향에서피부에가장높은선량을전달하였으며, 그다음으로는가슴에많은선량을전달하였다. 5.4821 MeV 베타선의경우 AP, LLA, RLA 방향은가슴에, PA 방향은피부에가장높은선량을전달하였고, 다른장기에비해상대적으로크기가작은지라혹은쓸개에가장적은선량을전달하였다. 3.3 감마선에의한장기선량감마선에의한장기별등가선량및유효선량을평가하기위한에너지로 0.0532, 0.2952, 1.0010 MeV 가사용되었으며, Fig. 6 은 4 방향 (AP, LLA, PA, RLA) 에서전달된감마선에의한평균장기선량을보여준다. 감마선은알파선이나베타선과달리투과성이높으며표면에서 build up 이되고최고선량이후선형적으로감소하는감마선선량분포의특성으로인해서, 4 방향의감마선에대한평균선량은대부분의장기에서유사한경향성을보이고있다. AP 방향의결과에서는모든에너지에대해서가슴과콩팥뒤에위치한부신에서가장적은선량이평가되었다 (Fig. 7). 그에반해 PA 방향에서수행된전산모사는선원의위치가피부와가장많이인접하고있기때문에최소에너지의감마선은피부에가장높은선량을전달하였고에너지가증가할수록 build up 깊이가증가하여피부보다는부신에가장많은선량을전달하였으며 AP 전산모사결과와반대로가슴에가장적은선량을전달하였다. LLA 방향의전산모사결과는모든에너지영역에서 Fig. 4. Comparison of average organ equivalent dose for beta particle energy. JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014 163
Fig. 5. Organ equivalent dose for beta particles with the source directions of AP, PA, LLA and RLA. 164 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014
Fig. 6. Comparison of average organ equivalent dose for gamma energy. 복부왼쪽가로막아래위치한지라에가장높은선량을전달하였고갑상선이나인체의우측에위치한간의아래에있는쓸개에가장적은선량을전달하였다. RLA 방향의전산모사결과는가장많은선량이전달된장기의경향성은없었으나 LLA 방향의전산모사결과에서가장높은선량이전달된지라에가장적은선량이전달되었다. 이는인체장기별해부학적위치특성으로인해각방향에따른장기별등가선량의차이가있음을보여준다. 4 방향의전산모사결과를평균한결과에서는감마선의경우남성팬텀은전립샘, 여성팬텀은자궁에서가장적은선량이평가되었으며, 다음으로는부신, 이자, 쓸개와같이상대적으로크기가작은장기에낮은선량이평가되었다. 이러한감마선에의한피폭은 ICRP 116 에서보고된장기선량분포와유사한경향성을보이고있다 [10]. 가공제품에서발생되는감마선을 0.1-1.0 MeV 로가정할때, 천연방사성핵종을포함하는가공제품은인체에사용되는위치에관계없이대부분의주요장기에선량을전달할수있으며, 피부에직접적으로맞닿는피복과악세서리와같이착용후장시간외출하는가공제품의경우감마선에의한주변인피폭도가능하다. 3.4 연간유효선량평가결과우라늄붕괴계열에서발생되는알파선, 베타선, 감마선의모든에너지중선별된최소, 중간, 최대에너지를통해평가된장기별등가선량결과를바탕으로 1 Bq g -1 의방사능을가진 100 kg 의돌침대에천연방사성핵종이 10% 함유되어있으며, 하루 7시간 50분사용한다고가정하였을때, 방사선의종류별로받게되는연간유효선량계산결과는 Table 2와같다. 알파선에의한연간유효선량은 6.18 10-4 0.0222 msv y -1 이며베타선은 5.69 10-6 0.0836 msv y -1, 감마선은 0.0006 0.0101 msv y -1 의경향성을보였다. 알파선과감마선의최소, 중간, 최대에너지에따른연간유효선량은에너지가증가할수록평균 5 배증가하였지만, 베타입자의경우최소에너지인 0.0634 MeV 에서최대 5.4821 MeV 로에너지가증가함에따라서연간유효선량이약 10 4 배증가하는경향성을나타냈다. 특히, 5 MeV 이상의알파선및베타선의경우에는 2 차방사선의발생이많으며이로인해연간유효선량이감마선 ( 최대 1 MeV) 에비해서크게평가되었다. 알파선, 베타선, 감마선의에너지에따른천연방사성핵종이포함된돌침대의사용으로인한연간유효선량은일반인연간한도유효선량인 1 msv y -1 를넘지않았으며, 흉부 X- 선 1 회촬영시받게되는유효선량인 0.1-0.3 msv 수준이거나그이하로평가되었다. Table 2. Annual Effective Dose (msv y -1 ) Calculated with Minimum, Medium, and Maximum Energy of Alpha, Beta, and Gamma Generated by NORM in the Stone Bed. Minimum Medium Maximum Alpha 6.18 10-4 0.0040 0.0222 Beta 5.69 10-6 0.0166 0.0836 Gamma 0.0006 0.0028 0.0101 4. 결론 본연구에서는대표적천연방사성핵종인우라늄계열에서발생되는알파선, 베타선, 감마선의최소, 중간, 최대에너지에따른등가선량및연간유효선량의경향성을평가하였다. 짧은비정거리의알파선과베타선은피부에대부분의선량을전달하였으며피부에가까운근육, 뼈표면, 흉부외의기도순으로선량이전달되는경향성을 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014 165
Fig. 7. Organ equivalent doses for gamma particles with the source directions of AP, PA, LLA and RLA. 166 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014
보였다. 상대적으로투과성이높은감마선은알파선과베타선에비해모든장기에상대적으로고른선량을전달하였다. 또한가공제품사용으로인한연간유효선량은 1 msv y -1 를넘지않았다. 본연구에서수행된가공제품사용으로인한인체피폭선량평가기술은생활주변방사선안전관리법의기반기술및기초자료로활용될수있으며차후실제가공제품의핵종분석결과및가공제품의모양을정확하게모델링한뒤가공제품사용으로인한인체피폭선량을정확하게평가하는연구가수행될예정이다. 감사의글본연구는한국원자력안전기술원의지원및 2014 년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (NRF-2014R1A1A1007789). 참고문헌 01. EPA. Evaluation of EPA s guidelines for technologically enhanced naturally occurring radioactive material (TENORM). EPA, 405-R-00-01. 2000. 02. Etsuko Furuta. NORM as consumer products: Issue of their being. Radiat. Prot. Dosim. 2011;146(1-3): 178-182. 03. Hassan NM, Mansour NA, Fayez-Hassan M. Evaluation of radionuclide concentrations and associated radiological hazard indexes in building materials used in EGYPT. Radiat. Prot. Dosim. 2013;157(2): 214-220. 04. Casas-Ruiz M, Ligero RA, Barbero L. Estimation of annual effective dose due to natural and manmade radionuclides in the metropolitan area of the bay of CADIZ (SW of SPAIN). Radiat. Prot. Dosim. 2013;157(2):214-220. 05. 원자력안전위원회 ( 방사선안전과 ). 생활주변방사선안전관리법, 시행 2014.05.21. 법률제 12664호. 2014. 06. ICRP. The 2007 recommendations of the international commission on radiological protection. ICRP Publication 103. Oxford; Pergamon Press. 2008. 07. ICRP. Adult reference computational phantoms. ICRP Publication 110. Oxford; Pergamon Press. 2007. 08. 통계청사회통계국복지통계과. 2009년생활시간조사결과. 2010. 9. IAEA. Application of the concepts of exclusion, exemption and clearance. IAEA RS-G-1.7. 2004. 10. ICRP. Conversion coefficients for radiological protection quantities for external radiation exposure. ICRP Publication 116. Oxford; Pergamon Press. 2010. 11. McConn RJ, Gesh CJ, Pagh RT, et al. Compendium of material composition data for radiation transport modeling, revision 1. PNNL, PNNL-15870. 2011. Characteristic Evaluation of Exposed Dose with NORM added Consumer Product based on ICRP Reference Phantom Do Hyeon Yoo, Hyun Cheol Lee, Wook-Geun Shin, Hyun Joon Choi, and Chul Hee Min* Department of Radiation Convergence Engineering, Yonsei University Abstract - In Korea, July 2012, the law as called Act on Safety Control of Radioactive Rays Around Living Environment was implemented to control the consumer product containing Naturally Occurring Radioactive Material (NORM), but, there are no appropriate database and effective dose calculation system. The aim of this study was to develop evaluation technique of the exposure dose with the use of the consumer products containing NORM and to understand the characteristics of the exposed dose according to the radiation type and energy. For the evaluate of exposure dose, the ICRP reference phantom was simulated by the MCNPX code based on Monte Carlo method, and the minimum, medium, maximum energy of alphas, betas, gammas from the representative NORM of Uranium decay series were used as the source term in the simulation. The annual effective doses were calculated by the exposure scenario of the consumer product usage time and position. Short range of the alpha and beta rays are mostly delivered the dose to the skin. On the other hand, the gamma rays mostly delivered the similar dose to all of the organs. The results of the annual effective dose with 1 Bq g -1 radioactive stone-bed and 10% radioactive concentration were employed with the usage time of 7 hours 50 minute per day, the maximum annual effective dose of alphas, betas, gammas were calculated 0.0222, 0.0836, 0.0101 msv y -1, respectively. Keywords : NORM, Monte Carlo simulation, MCNPX, Equivalent dose, Effective dose JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO.4 DECEMBER 2014 167