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J. Korean Soc. Environ. Eng., 38(1), 42~46, 2016 Original Paper http://dx.doi.org/10.4491/ksee.2016.38.1.42 ISSN 1225-5025, e-issn 2383-7810 A Case Study about Counting Uncertainty of Radioactive Iodine ( 131 I) in Public Waters by Using Gamma Spectrometry 조윤해 설빛나 민경옥 김완석 이준배 이수형 Yoonhae Cho Bitna Seol Kyoung Ok Min Wan Suk Kim Junbae Lee Soohyung Lee 국립환경과학원금강물환경연구소 Geum River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research (Received October 5, 2015; Revised November 4, 2015; Accepted January 25, 2016) Abstract : The radioactive iodine ( 131 I) presents in the environment through the excrete process of nuclear medicine patients. In the detecting of low level of 131 I in the public water, the counting uncertainty has an effect on the accuracy and reliability of detecting 131 I radioactivity concentration. In this study, the contribution of sample amount, radioactivity concentration and counting time to the uncertainty was investigated in the case of public water sample. Sampling points are public water and the effluents of a sewage treatment plant at Sapkyocheon stream, Geumgang river. In each point, 1, 10 and 20 L of liquid samples were collected and prepared by evaporation method. The HPGe (High Purity Germanium) detector was used to detect and analyze emitted gamma-ray from samples. The radioactivity concentration of 131 I were in the range of 0.03 to 1.8 Bq/L. The comparison of the counting uncertainty of the sample amount, 1 L sample is unable to verify the existence of the 131 I under 0.5 Bq/L radioactivity concentration. Considering the short half-life of 131 I (8.03 days), a method for measuring 1 L sample was used. However comparing the detecting and preparing time of 1, 10 L respectively, detecting 10 L sample would be an appropriate method to distinguish 131 I concentration in the public water. Key Words : Radioactive Iodine ( 131 I), Counting Uncertainty, Environmental Radiation, Gamma Spectrometry 요약 : 환경에존재하는인공방사성핵종중방사성요오드 ( 131 I) 는주로갑상선질환의치료에사용되며환자의배출과정을통해체외로방출된다. 붕괴가채끝나지않은 131 I 는환경으로방출되어공공수역에서검출될수있다. 본연구는공공수역에서검출된 131 I 방사능결과의정확도및신뢰도에영향을미치는불확도중계측과정에서발생하는불확도에대하여금강수계의실제사례를조사하였다. 시료는금강권역삽교천수계의하천수및그상류의하수처리장방류수를대상으로하였으며, 시료량에따른불확도를확인하기위하여각지점의시료를 1, 10, 20 L 로채수하였다. 채취한시료는시료량에따라전처리를거친후 1 L 마리넬리비커에충전하여 HPGe (High Purity Germanium) 감마선검출기를이용하여 10,000 초단위로계측 분석하여계측시간및방사능에따른측정불확도를비교하였다. 각지점의방사능농도는 0.03~1.8 Bq/L 로, 채취시점에따라차이가있는것으로나타났다. 131 I 의방사능농도가 0.3 Bq/L 수준인경우시료량이 1 L 이면약 80,000 초계측시까지핵종의존재여부를판단하지못하는경우가발생하였으나, 같은조건에서시료량을증가시켜계측한경우 10,000 초이상의계측시간부터불확도 10% 범위에포함되는것으로나타났다. 131 I 의짧은반감기를고려하여즉시계측이가능한 1 L 생시료계측방법을사용할수있으나, 불확도수준과전처리및계측에소요되는시간을비교하였을때, 10 L 시료의계측을통해높은신뢰도의측정결과를얻을수있는합리적인방법이라고판단되었다. 주제어 : 방사성요오드 ( 131 I), 측정불확도, 환경방사능, 감마분광분석 1. 서론 환경중방사성핵종은크게우주선및지각등으로부터기원한천연방사성핵종과인공적인사용으로인하여발생하는인공방사성핵종이있다. 인공방사성핵종은의학, 연구, 산업등의방사선이용또는사고등의과정에서자연중으로방출될수있다. 1,2) 그중방사성요오드 ( 131 I) 는의학적인이용을위하여 Te 핵종에중성자를조사하여발생시키거나 235 U의핵분열과정에서발생되는핵종으로, 1회붕괴시 82% 의분율로 364 kev의감마선을방출한다. 3~5) 2012년이용실태조사결과, 국내 181개사업소에서총 262,404 GBq 의양이인 허가되었으며, 갑상선질환의치료및진단에 주로이용되었다. 6) 131 I는투여량이많고, 체내유효반감기가약 7.6일로, 수십일동안유의한양이환자체내에잔류한다. 체내의 131 I는방사능붕괴를통해감쇄되거나, 체내의대사및배출과정을통하여체외로방출되는데, 하수처리과정에서붕괴가채끝나지않은 131 I는공공수역중으로방출되며이는하수처리업무종사자또는일반인에게노출될가능성이있다. 7,8) 이러한노출원인과발생가능한영향을고려하여국내에서는 공공수역방사성물질측정망 운영을통하여국내의하천및호소 60개지점에서 131 I 를포함한인공핵종의방사능을모니터링하고있다. 9,10) 공공수역에존재하는 131 I를검출함에있어, 짧은반감기를고려하여 1 L의시료를실험실로운반하여즉시계측하 Corresponding author E-mail: yh.cho@korea.kr Tel: 043-730-5655 Fax: 043-733-9408

J. Korean Soc. Environ. Eng. 43 는방법또는다량의시료를채취하여증발농축전처리후 계측하는방법등이사용되고있다. 즉시계측하는방법을 사용할경우빠르게계측이가능하다는장점이있지만불 확도가높게나타나고있어측정결과에대한신뢰도가낮아진다. 11) 본연구에서는평상시공공수역에존재하는 131 I 의감마분 광분석을이용한검출과정중계측과정에서발생하는측정 불확도를조사하였다. 지표수시료에포함된 131 I 에대하여 시료량및계측시간에따른불확도변화를조사하고, 이를 토대로계측시간및전처리소요시간을비교하여지표수 중 131 I 의합리적인분석방법을제안하였다. 2. 연구방법 2.1. 시료채취및전처리 본연구에서는삽교천수계의곡교천및천안천의지표 수를대상으로 131 I 농도를분석하였다. 시료채취지점의상 류에는하수처리장이각각존재하고있다. 조사지점은 Fig. 1과같이곡교천및천안천의수질측정망운영지점 2지점 (GG, CA) 과인근하수처리장방류수 2 지점 (AS, CS) 을대 상으로하였으며, 2015 년 1 월 ~3 월의기간동안조사하였다. 시료채취는수질측정망지점의경우, 수질이안정되고대표적인상태라고판단될때수질오염공정시험기준에해당하는방법에따라최고수심지점을기준으로하천을 3등분한지점에서시료를채취하여혼합하여계측에이용하였으며, 12) 하수처리장의경우방류수를직접채취하였다. 시료량에따른방사능계측불확도의변화를확인하기위하여각지점당 1, 10, 20 L의시료를채취하였으며, 채취한시료는실험실로운반하여전처리를끝낸후 3일이내에분석하는것을원칙으로하였다. 시료량에따라 10 L 및 20 L 시료는테프론코팅비커에서시료량 1 L까지증발농축하고, 1 L 시료는생시료를이용하여각각 1 L 용량의마리넬리비커에충전하여계측하였다. 2.2. 방사능계산시료량에따라전처리를마친시료는감마선분광분석시스템을이용하여계측 분석하였다. 계측에이용된시스템은고순도게르마늄 (HPGe, High Purity Germanium) 검출기 (GEM-MX7080, ORTEC), 납차폐체, 다중파고분석기 (MCA, Multi Channel Analyzer, DSPEC50, ORTEC) 및분석시스템 (Gamma Vision) 으로이루어져있다. 검출기의상대효율은 66% 이며, 60 Co 핵종에서방출되는 1.33 MeV 감마선에너지에대한에너지분해능 (FWHM) 은 1.9 kev이다. 감마선계측효율은한국표준과학기술원에서제조한감마선방출 10개핵종을혼합하여제작한 13개감마선에너지에대한표준물질 (CRM, Certificate of Reference Material) 을이용하여교정하였다. 시료중방사능은식 (1) 을이용하여계산하였으며, 시료채취이후 131 I의붕괴를고려하여시료채취시점을기준으로방사능농도를산출하였다. (1) 여기서, N 은방출감마선에너지의피크면적, ε 은해당에 너지라인의감마계수효율, γ 는해당에너지의감마선방출 률, t는계측시간, m은시료의부피, K i 는보정인자를나타낸다. 13,14) 최소검출가능농도 (MDA, Minimum Detectable Activity) 는 식 (2) 를이용하여계산하였다. 계산된결과는공공수역방 사성물질측정망운영계획에제시된 131 I 의검출하한치와 비교하여분석결과의타당성을확인하였다. (2) Fig. 1. Sampling points in Sapkyo-water system (GG: Gokgyo stream, AS: Asan Sewage treatment center, CA: Cheonan stream, CS: Cheonan Sewage treatment center). 여기서, r B 와 는각각백그라운드방사선의계수율과계 측시간, ε 은해당에너지라인의감마계수효율, C 은시료량및측정중반감기를보정하는인자이다. 13,15) 대한환경공학회지제 38 권제 1 호 2016 년 1 월

44 J. Korean Soc. Environ. Eng. 조윤해 설빛나 민경옥 김완석 이준배 이수형 2.3. 측정불확도계산 방사능계측에있어서불확도인자를밝히는것은양질 의결과를얻기위하여중요한사항이다. 불확도의경우시 료의전처리단계, 측정단계, 붕괴보정등의과정에서발 생할수있으며각각의불확도를식 (3) 과같이합성하여최종불확도를결정할수있다. 13,14) 여기서, 는측정과정에서발생하는불확도, 는효율교정에서생기는불확도, (3) 는핵자료데이터를 이용한방출에의한불확도, 는전처리과정에서발 생하는불확도를나타내며, 는붕괴보정에의 한불확도를나타낸다. 그중측정과정에서발생하는불확도에는피크면적산출및백그라운드방사능측정에의한불확도등이포함되며, 총피크면적에의한불확도와백그라운드면적에의한 불확도의합성으로나타낼수있다. 계측및분석과정에서 발생하는불확도에영향을미치는주요인자와각각이차 지하는규모는다음 Table 1 에나타낸바와같다. 감마분광 분석을이용한환경방사능분석시발생할수있는각불 확도요인에대한확장불확도평가결과에따르면측정중 발생하는불확도, 붕괴보정및효율교정에의한불확도가 가장큰것으로나타났으며, 샘플전처리와각핵종의붕괴 확률에의한불확도는영향이적은것으로나타났다. 16~18) 본연구에서는신뢰할수있는방사능측정결과를얻을수있는계측조건결정을위하여지표수시료를대상으로방사능농도, 시료량및계측시간에따른불확도의변화를조사하였다. Table 1. Source of uncertainty in gamma ray measurements Uncertainty source Symbol Typical uncertainty range (%) Typical uncertainty value (%) Counting N 0.1-20 5 Emission probability γ 0.1-11 <2 Attenuation correction K 3 0.1-5 <1 Coincidence correction K 5 1-15 <3 Half-life T 1/2 0.01-1 <0.2 Detector efficiency ε 1-5 2 Radiochemical procedures 1-10 3 Sample weight m 0.01-1 <0.5 3. 결과및고찰 3.1. 방사능 각지점별 131 I의방사능은곡교천수계의수질측정망지점및하수처리장방류수지점에서 0.11~0.40 Bq/L, 천안천수계의수질측정망지점및하수처리장방류수지점에서 0.03~1.8 Bq/L로검출되었다. 시료채취일자에따라방사능이차이를나타내며, 하수처리장방류수와그하류측정지점과의방사능은시료채취일자에따라유사한농도로계측되었다. 계측된방사능은 WHO의음용수중 131 I 방사능은권고기준인 10 Bq/L에비교하였을때최소 1~20% 에해당하는값으로그영향은미미한수준이다. 시료의최소검출가능농도는시료량 1, 10, 20 L 계측시각각 0.1, 0.05, 0.03 Bq/L 미만으로계측되어, 공공수역방사성물질측정망운영계획의 131 I 검출하한치기준인 1.0 Bq/L 를모두만족하는것으로나타났다. 9) 3.2. 측정불확도동일시료에대하여시료량을다르게하여방사능을측정한결과는 Fig. 2와같다. 131 I의방사능이 Fig. 2의 (a)~(c) 와같이약 0.3 Bq/L 미만인경우, 시료량 1 L 계측시측정결과가최소검출가능농도미만으로나타나, 시료량을 10 L 및 20 L로하여계측한경우에는검출되는 131 I 핵종의존재여부를판별할수없었다. 시료량 10 L를계측한때는방사능이 0.1 Bq/L 수준인경우계측시간 30,000초 ( 약 8시간 ) 부터 10% 의불확도를갖는것을확인하였으며그보다농도가높은 0.3 Bq/L 수준에서는 10,000초 ( 약 3시간 ) 계측시에도측정불확도수준이 10% 이내인것으로나타났다. 이와같이방사능이 0.1 Bq/L를넘는경우, 시료량 10 L 또는 20 L를이용하면 Fig. 2의 (b)~(d) 와같이계측시간을조절하여불확도가 5% 이내에포함되는결과를얻을수있었다. 시료량 1 L와 10 L를이용하여계측한경우, 계측과정의불확도는 Fig. 3의 (a) 와 (b) 에각각나타내었다. 각경우모두방사능이증가할수록불확도가감소하는경향으로나타났지만, 그불확도의분포를확인하면시료량 10 L를계측한경우, 0.1 Bq/L 농도수준의시료를 10,000초계측할경우불확도가 20% 이내로계측되었으며, 같은농도수준에서약 30,000초계측한경우불확도 10% 범위에포함되는것으로나타났다. 같은농도의시료 1 L를계측한결과는시료중존재하는 131 I의방사능이최소검출가능농도미만으로조사되어판별하지못하는것을확인하였다. 3.3. 소요시간을고려한합리적계측방법시료채취후실험실로운반하여시료량에따라생시료계측또는증발농축전처리를실시하여분석하였다. 시료량 1 L를계측에이용할경우, 운반이완료되는즉시 1 L 마 Journal of KSEE Vol.38, No.1 January, 2016

J. Korean Soc. Environ. Eng. 45 Fig. 2. The counting uncertainty of radioactivity concentration about radioactivity concentration. Fig. 3. The uncertainty of radioactivity concentration about the quantity of sample. 리넬리비커에시료를충전하여계측할수있다. 10 L 시료의경우테프론코팅된비커와가열기구를이용하여전처리하는경우약 1일, 20 L 시료의경우약 1.5일이소요된다. 1 L 시료를이용한계측에서 1일 ( 약 80,000초 ) 및 1.5일 ( 약 120,000초 ) 계측을실시하는경우에도 Fig. 2의 (a)~(c) 와같은저농도 131 I의경우, 안정화되지않고불확도의요동이큰것을확인하였다. 이와비교하여 10 L 시료의경우 Fig. 3(b) 와같이 0.05 Bq/L 이상의 131 I 농도를나타내는경우계측시간이 30,000 초 ( 약 8시간 ) 경과할경우계측불확도가 10% 이내에포함되는것을확인하였다. 4. 결론 본연구는지표수중의방사성요오드를감마분광분석을이용하여검출하는과정에서분석결과의신뢰도에관여하는불확도에관한사례연구이다. 지표수특성을반영하기위하여시료를채취하여분석하였고, 시료량및측정시간에따른각각의변화를조사하였다. 각시료별로 1 L, 10 L, 20 L로시료량을달리하여 10,000 초단위로 150,000초까지계측한결과, 0.1 Bq/L 농도수준의 10 L 및 20 L 시료의경우 100,000초계측시그불확도는 5% 이내로포함되었다. 대한환경공학회지제 38 권제 1 호 2016 년 1 월

46 J. Korean Soc. Environ. Eng. 조윤해 설빛나 민경옥 김완석 이준배 이수형 측정과정의불확도를낮춤으로서계측결과에대한신뢰 도를높이고목적에맞는결과를도출할수있다는장점이 있지만, 131 I 의짧은반감기를고려하였을때빠른시간내 에채취한시료를실험실로이송하여계측하는것에대한 고려또한필요하다. 시료량 10 L 의증발농축전처리시간 과 1 L 생시료를즉각계측하였을때발생하는불확도를 고려하였을때, 10 L 시료를실험실에서전처리하여계측하 는것이높은신뢰도의측정결과를얻을수있는합리적 인방법이라고판단된다. 다만이러한조사는금강수계의 특정지점의시료에관한사례연구로, 추후방사능농도가 확인된표준시료및타지점, 타수계의조사를통하여수질 특성에따른결과를비교, 확인할필요가있다. References 1. Carolan, J. V., Hughes, C. E. and Hoffmann, E. L., Dose assessment for marine biota and humans from discharge of 131 I to the marine environment and uptake by algae in Sydney, Australia, J. Environ. Radioactiv., 102(10), 953~963(2011). 2. UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effect of Atomic Radiation), Source and effect of ionizing radiation, United Nations publication, pp. 1~14(2000). 3. Chattopadhyay, S. and Das, S. S., Recovery of 131 I from alkaline solution of n-irradiate tellurium target using a tiny Dowex-1 column, Appl. Radiat. Isot., 68(10), 1967~1969 (2010). 4. IAEA Handbook of Nuclear Data for Safeguards, Cumulatice Fission Yields, http://www-nds.iaea.org/sgnucdat/c3.htm (2008). 5. Bitar, A. Maghrabi, M. and Doubal, A. W., Assessment of intake and internal dose from iodine-131 for exposed workers handling radiopharmaceutical products, Appl. Radiat. Isot., 82, 370~375(2013). 6. Kim, J. K., Survey on the status of radiation/ri utilization in 2012, Korean Association for Radiation Application, Ministry of Science, ICT and Future Planning, pp. 22~53 (2013). 7. ICRP (International Commision for Radiation Protection), ICRP Publication 94: Release of patients after therapy with unsealed radionuclides, 34(2), 1~80(2004). 8. Morita, T., Niwa, K., Fujimoto, K., Yamada, H., Nishiutch, K., Sakamoto, T., Godo, W., Taino, S., Hayashi, Y., Takeno, K., Nishigaki, T., Fujiwara, K., Aratake, H., Kamonoshita, S., Hashimoto, H., Kobayashi, T., Otosaka, S. and Imanaka, T., Detection and activity of ioding-131 in brown algae collected in the Japanese coastal areas, Sci. Total Environ., 408, 3443~3447(2010). 9. Ministry of Environment, Management plan of monitoring program for radioactive materials in public waters, Ministry of Environment notification No. 2015~226(2015). 10. Kim, J., Jung, H., An, M., Hong, J. K., Kang, Y., Kang, T. W., Cho, Y. H., Han, Y. U., Seol, B., Kim, W. and Kim, K., Status of a national monitoring program for environmental radioacrivity and investigation of artificial radionuclides concentrations ( 134 Cs, 137 Cs and 131 I) in rivers and lakes, Anal. Sci. Technol., 28(6), 377~384(2015). 11. Bakr, W. F. and Ebaid, Y. Y., Quantification of uncertainties on gamma ray spectrometric measurement: A case study, J. Nucl. Radiat. Phys., 6(1&2), 55~67(2011). 12. Ministry of Environment, Standard test method for water quality, Ministry of Environment notification No. 2014~76(2015). 13. Michael, F., L Annunziata, Handbook of radioactivity analysis, 3 rd Edition, Academic press, Elsevier, pp. 353~360(2012). 14. Gordon R. Gilmore, Practical gamma-ray spectrometry, 2 nd Edition, John Wiley&Sons, Ltd, pp. 123~129(2008). 15. Currie, L. A., Limits for qualitative detection and quantitative determination, Am. Chem. Soc. Publ., 40(3), 586~596 (1968). 16. IAEA (International Atomic Energy Agency), Quantifying uncertainty in nuclear analytical measurements, IAEA-TECDOC- 1401, pp. 103~126(2004). 17. Lee, W., Kwak, J. Y., Chung, K. H., Cho, Y. H., Kang, M. J., Kim, H. R., Cho, G. S. and Lee, C. W., Counting uncertainty assessment in natural radioactivity analysis by gamma spectrometry, Korean Radioactiv. Waste. Soc., 334~335(2005). 18. Ebaid, Y. Y., On the use of reference materials in gamma ray spectrometric efficiency calibration for environmental samples, J. Radioanal. Nucl. Ch., 280(1), 21~25(2009). Journal of KSEE Vol.38, No.1 January, 2016