공개문제 방사선관리기술사 68회 2002년도 1교시

1. 물질의 감마선에 대한 흡수계수(absorption coefficient)와 감쇠계수(attenuation coefficient)의 물리적 의미상 차이와 각각의 용도를 설명하시오.

1. 감쇠계수 (Attenuation Coefficient, μ)

• 물리적 의미:
  • 감쇠계수는 감마선이 물질을 통과하면서 모든 형태의 상호작용으로 인해 빔(beam)에서 제거되는 확률을 나타냅니다.
  • 여기서 '제거된다'는 것은 감마선 광자가 물질 내에서 광전 효과(Photoelectric Effect), 콤프턴 산란(Compton Scattering), 쌍생성(Pair Production) 중 한 가지 상호작용을 겪어 원래의 방향이나 에너지를 잃고 빔에서 이탈하는 모든 현상을 포함합니다.
  • 감쇠계수는 입사 빔의 강도가 물질을 통과하면서 얼마나 약해지는지를 정량화하는 척도입니다. 즉, 빔의 손실을 나타냅니다.
• 수식적 표현: I=I0​e−μx 여기서, I는 통과 후 감마선 강도, I0​는 입사 감마선 강도, μ는 감쇠계수, x는 물질의 두께입니다.
• 용도:
  • 차폐 계산: 특정 물질이 감마선을 얼마나 효과적으로 차폐할 수 있는지를 평가하는 데 사용됩니다. 두께 x의 차폐체가 입사 감마선 강도를 얼마나 줄일 수 있는지를 계산합니다.
  • 방사선 계측: 감마선이 검출기로 들어오기 전 물질을 통과하면서 얼마나 약해지는지를 예측하여 검출 효율을 보정하거나, 샘플 내 방사능을 측정할 때 자체 흡수 효과를 고려하는 데 활용됩니다.
  • 산업용 비파괴 검사 (NDT): 물질 내부의 결함이나 밀도 변화를 감마선 투과를 통해 확인하는 과정에서 방사선 감쇠를 계산하는 데 사용됩니다.
  • 단위: 보통 선형 감쇠계수(cm−1)와 질량 감쇠계수(cm2/g)로 표현됩니다.

2. 흡수계수 (Absorption Coefficient, μen​ 또는 μa​)

• 물리적 의미:
  • 흡수계수는 감마선이 물질과 상호작용하여 물질 내부에 실제로 에너지를 전달(흡수)하는 비율을 나타냅니다.
  • 이는 광전 효과, 콤프턴 산란, 쌍생성 등의 상호작용 후, 물질 내에서 생성된 이차 전자들이 에너지를 잃는 과정 (이온화, 여기)을 통해 최종적으로 물질에 흡수되는 에너지 부분을 의미합니다.
  • 감쇠계수가 빔에서 이탈하는 모든 현상을 포함하는 반면, 흡수계수는 이차 입자들의 에너지가 물질에 '남아' 열이나 다른 형태로 변환되는 실제 흡수만을 다룹니다. 특히 콤프턴 산란 시 산란된 광자가 물질 외부로 이탈하는 에너지는 흡수계수에 포함되지 않습니다.
• 수식적 표현:
  • 흡수선량(D)과 관련이 깊습니다. 흡수된 에너지를 통해 계산됩니다.
• 용도:
  • 선량 평가: 방사선이 인체 조직이나 다른 물질에 얼마나 많은 에너지를 흡수시키는지를 정량화하여 **흡수선량(Absorbed Dose)**을 계산하는 데 사용됩니다. 이는 방사선 방호, 의료 방사선학(방사선 치료 선량 계산), 생물학적 효과 평가 등에 필수적입니다.
  • 발열 계산: 방사선에 의해 물질에 흡수되는 에너지를 계산하여 물질의 온도 상승 등을 예측하는 데 활용됩니다 (특히 고준위 방사성 폐기물 처분장 등).
  • 검출기 효율 분석: 검출기 재료가 감마선 에너지를 얼마나 효율적으로 흡수하여 신호로 변환하는지를 이해하는 데 사용됩니다.
  • 단위: 보통 선형 에너지 흡수계수(cm−1)와 질량 에너지 흡수계수(cm2/g)로 표현됩니다.

두 계수의 물리적 의미상 차이 요약

• 감쇠계수(μ): **'제거'**에 초점을 맞춥니다. 감마선 빔이 얼마나 약해지는지, 즉 광자가 원래 경로에서 벗어나거나 에너지를 잃어 더 이상 빔으로 간주되지 않는 모든 과정을 포함합니다. 차폐에 직접적으로 관련됩니다.
• 흡수계수(μen​): **'흡수'**에 초점을 맞춥니다. 감마선 에너지가 실제로 물질 내부에 얼마나 전달되어 열이나 이온화 에너지로 변환되는지를 나타냅니다. 선량 평가에 직접적으로 관련됩니다.

핵심 차이점: 콤프턴 산란 시 발생한 산란 광자는 입사 빔에서 제거되므로 μ에는 기여하지만, 산란 광자가 물질 외부로 탈출한다면 그 에너지는 물질에 흡수된 것이 아니므로 μen​에는 기여하지 않습니다. 오직 콤프턴 전자가 물질에 전달한 에너지 부분만 μen​에 포함됩니다. 따라서 항상 μ≥μen​ 의 관계가 성립합니다.

 

 

2. 중성자 선원인 Cf-252를 적절히 차폐하는 방법에 대해 기술하시오.

 

캘리포늄-252(Cf-252)는 자발핵분열(spontaneous fission)을 통해 중성자와 감마선을 동시에 방출하는 강력한 중성자 선원입니다. 따라서 Cf-252를 차폐할 때는 중성자와 감마선 모두를 효과적으로 감쇠시킬 수 있는 복합적인 차폐 전략이 필요

1. 중성자 차폐의 원리 및 물질

중성자는 전하를 띠지 않기 때문에 전자기파(X-선, 감마선)처럼 물질과 이온화 상호작용을 하지 않습니다. 중성자를 효과적으로 차폐하려면 주로 **탄성 산란(Elastic Scattering)**과 **비탄성 산란(Inelastic Scattering)**을 통해 에너지를 감소시키고, 최종적으로 **흡수(Absorption)**시키는 과정을 이용합니다.

가. 고속 중성자 감속 (Moderation): Cf-252에서 방출되는 중성자는 평균 에너지가 약 2.1 MeV인 고속 중성자입니다. 이 고속 중성자를 효과적으로 차폐하기 위해서는 먼저 에너지를 낮춰야 합니다.

• 원리: 질량이 작은 원자핵(수소, 탄소 등)과의 탄성 충돌을 통해 중성자의 운동 에너지를 열 에너지 수준까지 감속시킵니다. 질량이 작을수록 충돌 시 중성자가 잃는 에너지가 많아 감속 효율이 높아집니다.
• 주요 물질:
  • 물(Water, H$_2$O): 수소 원자 함량이 높아 중성자 감속에 매우 효과적입니다. 저렴하고 구하기 쉽다는 장점이 있습니다.
  • 폴리에틸렌 (Polyethylene, C$_2$H$_4$)n​: 높은 수소 함량을 가진 플라스틱으로, 물보다 밀도가 높아 더 컴팩트한 차폐가 가능합니다. 가장 널리 사용되는 중성자 감속재 중 하나입니다.
  • 파라핀 (Paraffin): 폴리에틸렌과 유사하게 수소 함량이 높습니다.
  • 콘크리트 (Concrete): 물과 수소 원자를 포함하고 있어 중성자 감속에 기여하며, 구조적 강도와 감마선 차폐 능력도 제공합니다.

나. 열 중성자 흡수 (Absorption): 고속 중성자가 감속되어 열 중성자가 되면, 이제 흡수 단면적이 큰 물질을 이용하여 중성자를 포획해야 합니다.

• 원리: 열 중성자가 특정 원자핵에 포획되면, 핵 반응(주로 (n, γ) 반응)을 통해 에너지를 방출하며 사라집니다. 이 과정에서 포획 감마선이 발생할 수 있으므로, 이에 대한 추가적인 차폐도 고려해야 합니다.
• 주요 물질:
  • 붕소 (Boron, B): 열 중성자 흡수 단면적이 매우 큽니다. 특히 붕소-10(B-10)은 중성자를 흡수하여 헬륨(α)과 리튬(Li)으로 변하며 비교적 낮은 에너지의 감마선(0.48 MeV)을 방출합니다. 폴리에틸렌에 붕소를 첨가한 **붕소화 폴리에틸렌 (Borated Polyethylene)**이 가장 효과적인 중성자 차폐재 중 하나입니다.
  • 카드뮴 (Cadmium, Cd): 붕소와 함께 대표적인 열 중성자 흡수재입니다. 하지만 중성자를 흡수할 때 비교적 고에너지의 감마선(약 9 MeV)을 방출하므로, 이 2차 감마선에 대한 추가적인 차폐가 필요합니다.
  • 리튬 (Lithium, Li): 특히 리튬-6(Li-6)은 중성자를 흡수하여 헬륨과 삼중수소를 생성하며 감마선을 방출하지 않아 이상적인 흡수재로 간주됩니다. (그러나 가격이 비싸 제한적으로 사용)

2. 감마선 차폐의 원리 및 물질

Cf-252는 중성자 외에도 핵분열 생성물로부터 감마선을 방출하며, 중성자가 차폐 물질에 흡수될 때 발생하는 2차 감마선(포획 감마선)도 고려해야 합니다. 감마선은 원자번호가 높은 물질과의 상호작용(광전 효과, 콤프턴 산란, 쌍생성)을 통해 효과적으로 감쇠됩니다.

• 주요 물질:
  • 납 (Lead, Pb): 밀도가 높고 유효 원자번호가 높아 감마선 차폐에 매우 효과적입니다. 컴팩트하게 차폐체를 구성할 수 있습니다.
  • 강철 (Steel, Fe): 납만큼 효율적이지는 않지만, 강도가 높고 가격이 저렴하여 구조재와 감마선 차폐재를 겸하는 용도로 많이 사용됩니다.
  • 콘크리트 (Concrete): 감마선 차폐에도 효과적입니다. 특히 고밀도 콘크리트(철광석 등 포함)는 차폐 성능이 더 뛰어납니다.
  • 텅스텐 (Tungsten, W): 납보다 밀도가 훨씬 높아 더욱 컴팩트한 차폐가 가능하지만, 가격이 비쌉니다.

3. Cf-252의 적절한 복합 차폐 방법 (예시)

Cf-252 선원의 실제 차폐는 일반적으로 다음과 같은 다층 구조의 복합 차폐체로 이루어집니다.

1. 선원 주변 (내부층):
   • 중성자 감속재: Cf-252 선원 바로 주변에는 고속 중성자를 효과적으로 감속시킬 수 있는 폴리에틸렌 또는 물과 같은 수소 함량이 높은 물질을 배치합니다. 이는 중성자의 에너지를 낮춰 다음 단계의 흡수재가 효과적으로 작동하도록 합니다.
2. 중간층:
   • 열 중성자 흡수재: 감속된 열 중성자를 흡수하기 위해 붕소화 폴리에틸렌 (폴리에틸렌에 붕소 분말을 혼합한 형태) 또는 카드뮴 판을 배치합니다. 붕소는 흡수 시 저에너지 감마선을 방출하므로 카드뮴보다 선호될 수 있습니다.
3. 외부층:
   • 감마선 차폐재: 중성자 흡수 시 발생하는 2차 감마선(특히 카드뮴 사용 시 고에너지 감마선)과 Cf-252 자체에서 방출되는 감마선을 차폐하기 위해 납, 강철 또는 고밀도 콘크리트와 같은 고밀도/고원자번호 물질을 가장 바깥쪽에 배치합니다. 이 층은 최종적인 방사선량을 안전 수준으로 낮추는 역할을 합니다.

 

3. B-10이 (n,α)반응을 할 때 방출되는 알파입자의 에너지를 계산하시오. 단, 각 원소의 원자량은 다음과 같다.

B-10 : 10.01294, n : 1.00866, He-4 : 4.0026, Li-7 : 7.01600

 

붕괴식

방출되는에너지는 Q값으로 계산

반응전 질량 합 = 10.01294u + 1.00866u = 11.02160 amu

반응후 진량 합 = 7.01600u + 4.0026u = 11.01860 amu

Q값 계산

(11.02160 amu - 11.01860 amu) = 0.00300 amu

1u = 931.5MeV

0.00300 amu X 931.5MeV = 2.7945 MeV

붕소가 중성자 흡수하고 안전상태인 리튬으로 갈때

93.9%는 안전화상태 리튬-7 , 6.1%는 들뜸상태 리튬-7 으로 된다

 

93.9%는 안전화상태 리튬-7

Q=2.7945 MeV가 7Li와 4He의 운동 에너지로만 분배

7.01600u/ 11.01860 amu X 2.7945 MeV = 1.778 MeV

6.1%는 들뜸상태 리튬-7

2.7945 MeV−0.478 MeV=2.3165 MeV가 7Li와 4He의 운동 에너지로만 분배

7.01600u/ 11.01860 amu X 2.3165 MeV = 1.474 MeV

 

방출되는 알파입자 에너지

93.9% = 1.778 MeV

6.1% = 1.474 MeV

 

4. 열중성자에 인체가 노출되는 경우, 방사선 피폭을 일으키는 주된 과정을 설명하시오.

 

열중성자는 운동 에너지가 매우 낮은(약 0.025 eV) 중성자를 의미

열중성자가 인체에 노출될 경우, 직접적으로 이온화를 일으키지 않지만, 인체 구성 물질과의 핵반응을 통해 이차 방사선을 생성하여 피폭을 유발합니다. 이 중 가장 중요하고 주된 피폭 과정은 중성자 포획 감마 반응

 

• 피폭 메커니즘:
  1. 중성자 흡수: 인체 내의 수소 원자가 주변의 열중성자를 흡수합니다.
  2. 감마선 방출: 열중성자를 흡수한 수소 핵은 불안정한 상태가 되고, 이 과잉 에너지를 2.22 MeV의 비교적 고에너지 감마선 형태로 즉시 방출합니다.
  3. 감마선에 의한 이온화: 이 방출된 2.22 MeV 감마선은 인체 조직 내에서 광전 효과, 콤프턴 산란, 쌍생성 등의 상호작용을 통해 에너지를 전달하고, 이차 전자를 생성하여 주변 조직을 이온화시킵니다. 이 이온화가 세포 손상 및 생물학적 효과를 유발하는 직접적인 원인이 됩니다.
• 왜 주된 과정인가?
  • 수소의 풍부함: 인체는 질량의 약 10%가 수소로 이루어져 있으며, 대부분 물(H2​O)의 형태로 존재합니다. 이처럼 수소 원자가 인체 내에 압도적으로 많기 때문에, 열중성자가 인체에 들어오면 수소 원자와의 반응이 가장 빈번하게 일어납니다.
  • 높은 포획 단면적: 수소의 열중성자 포획 단면적은 다른 인체 구성 원소(탄소, 산소 등)에 비해 상대적으로 높아, 열중성자가 인체 내에서 수소에 의해 흡수될 확률이 높습니다.
  • 고에너지 감마선 방출: 이 반응으로 방출되는 2.22 MeV 감마선은 에너지가 충분히 높아 인체 조직을 효과적으로 투과하고 이온화시킬 수 있습니다.

 

열중성자 피폭의 핵심은 중성자 자체가 아닌, 중성자가 인체 내 수소와 반응하여 생성하는 2차 감마선에 의한 피폭

 

5. 방사선 방호등에 관한 기준에서 제시하는 허용표면 오염도를 기술하시오.

 

「방사선안전관리 등의 기술기준」 (원자력안전위원회 고시) 제2장 방사선작업종사자의 피폭관리 제4조(오염관리기준) 에 명시된 주요 허용표면 오염도 기준

1. 관리구역 출입 시 오염관리 기준

• 손, 발, 의복, 몸 및 기타 착용물:
  • 알파 방출 핵종: 0.4 Bq/cm2
  • 베타 및 감마 방출 핵종: 4 Bq/cm2
  설명: 관리구역에서 비관리구역으로 이동하거나, 퇴실 시 오염 확산을 방지하기 위한 개인의 오염 기준입니다. 이 기준을 초과하면 제염 등의 조치를 취해야 합니다.

2. 관리구역 내의 표면 오염관리 기준

• 알파 방출 핵종: 4 Bq/cm2
• 베타 및 감마 방출 핵종: 40 Bq/cm2
• 설명: 관리구역 내 작업대, 바닥, 벽 등 구조물의 표면 오염에 대한 기준입니다. 이 기준을 초과하면 오염 제거 등의 조치를 취해야 합니다. 이 기준은 관리구역 밖으로 오염이 확산되지 않도록 통제하는 데 사용됩니다.

3. 비관리구역 및 일반인 출입구역 등의 표면 오염관리 기준

• 알파 방출 핵종: 0.04 Bq/cm2
• 베타 및 감마 방출 핵종: 0.4 Bq/cm2
• 설명: 방사선 작업장이 아닌 일반 사무실, 통로, 식당 등 비관리구역이나 일반인이 출입하는 구역에 대한 엄격한 오염 기준입니다. 이 기준은 일반인의 불필요한 피폭을 방지하고 환경 오염을 최소화하기 위해 설정됩니다.

 

 

6. 방사선 긴급작업시 피해 확대를 막기 위해 불가피한 작업에 참여하는 자에 대해 허용하는 선량제한을 기술하시오.

 

원자력안전법 및 하위 법규(시행령, 시행규칙, 고시)에서 방사선 긴급작업에 대한 선량 제한을 명시하고 있습니다. 특히 「방사선안전관리 등의 기술기준」 (원자력안전위원회 고시) 에 관련 내용이 상세히 규정

1. 일반적인 긴급작업 시 선량 제한

생명 구조, 중대하고 피할 수 없는 피폭의 방지 또는 재해의 확대를 막기 위한 조치를 취하는 경우, 해당 작업자에게 허용되는 유효선량 한도는 다음과 같습니다.

• 유효선량: 최대 100 mSv
  • 설명: 이 선량은 일반적인 연간 선량 한도(20 mSv)를 훨씬 초과하는 값으로, 생명과 안전을 위한 비상 상황에서만 예외적으로 허용됩니다. 이 선량 범위 내에서 작업은 허용되지만, 가능한 한 피폭을 최소화하려는 노력이 항상 수반되어야 합니다.

2. 생명 구조 등 극히 위험한 긴급작업 시 선량 제한

극단적인 상황, 예를 들어 인명을 구하기 위한 긴급한 조치나 재앙적인 상황의 진전을 막기 위한 조치가 불가피하다고 판단되는 경우, 위의 일반적인 긴급작업 선량 한도도 초과할 수 있습니다.

• 유효선량: 최대 500 mSv
  • 설명: 이 선량은 극히 예외적인 상황에서만 허용되는 선량으로, 작업자는 이 피폭으로 인해 발생할 수 있는 잠재적 위험(확정적 영향 또는 확률적 영향)에 대해 충분히 인지하고 자발적인 동의를 해야 합니다. 이 경우에도 작업자의 안전을 확보하기 위한 최대한의 노력이 이루어져야 합니다.

 

7. 2세의 유아가 I-131로 오염된 우유를 섭취하여 갑상선에 0.3Sv의 선량에 피폭된 것으로 평가되었다. 이 아기가 75세까지 생존하는 동안 방사선피폭으로 인하여 갑상선암으로 사망할 확률을 계산하라. 방사선 피폭으로 인한 갑상선암의 잠복기는 10년이며, 그 이후는 균일한 위험계수값인 43 deaths/백만명/yr/Sv을 갖는다고 가정하라.

 

잠복기후 암 발생위험이 시작되는나이 2살+10년 = 12살

암 사망위험이 적용되는 시간 = 75살 - 12살 = 63년

총 사망 위험 확률

0.3Sv X 43 deaths/ 백만명.yr.Sv X 63년 = 816.3 X 10^-6 deaths/ persons

% 환산

0.08163%

 

8. 방사선 폐기물 자체처분에 관련한 다음 질문에 답하시오

.

가. 자체처분의 의미와 방법

방사성 폐기물 또는 방사성 물질이 특정 방사능 농도 기준(자체처분 허용 기준) 이하이어서 더 이상 방사선 규제 대상에서 제외하고, 일반 폐기물처럼 취급하거나 재활용할 수 있도록 하는 것을 의미합니다. 이는 방사선 위험이 무시할 수 있는 수준이어서 규제적 관리가 필요 없다고 판단될 때 적용

 

• 방사능 농도 측정 및 확인:
  • 자체처분 대상이 되는 물질(예: 해체되는 원전의 철근, 콘크리트, 의료기관의 사용 후 장비 등)에 대해 정밀한 방사능 분석을 수행합니다.
  • 핵종별로 설정된 자체처분 허용 기준과 비교하여, 모든 핵종의 농도가 기준치 이하임을 확인합니다.
  • 측정 방법으로는 감마 분광 분석, 액체 섬광 계수, 알파/베타 계수 등 다양한 방사능 측정 기법이 사용될 수 있습니다.
• 오염 물질의 분류 및 분리:
  • 오염 가능성이 있는 물질을 오염 정도에 따라 분류하고, 오염도가 높은 부분은 규제 관리 대상 방사성 폐기물로 분리합니다.
  • 오염도가 낮은 부분이나 제염(decontamination)을 통해 오염도가 낮아진 물질에 대해 자체처분을 적용합니다.
• 기록 및 증빙:
  • 자체처분된 물질의 종류, 양, 측정 결과, 측정 방법, 자체처분 허용 기준 충족 여부 등 모든 관련 정보를 기록하고 보관합니다. 이는 향후 감사나 확인 요청 시 증빙 자료로 활용됩니다.
• 처분 및 재활용:
  • 자체처분 기준을 만족하는 물질은 더 이상 방사성 폐기물이 아니므로, 일반 폐기물 처리 절차에 따라 매립하거나 재활용(예: 고철 재활용, 건축 자재 재활용)될 수 있습니다.

 

 

나. 자체처분 허용 기준

대한민국에서는 「원자력안전법 시행규칙」 별표 2의2 및 「방사선안전관리 등의 기술기준」 (원자력안전위원회 고시) 제44조 등에서 자체처분 허용 기준을 명시

 

• 개인 선량 기준:
  • 자체처분된 물질로 인해 일반 대중이 받을 수 있는 연간 유효선량이 무시할 수 있는 수준이어야 합니다. 국제적으로는 보통 연간 10 µSv (마이크로시버트) 이하를 기준으로 합니다.
  • 이는 방사선에 대한 무지나 부주의로 인해 예상치 못한 피폭이 발생하더라도, 그 위험이 매우 낮아 규제적 관리가 불필요하다는 것을 의미합니다.
• 집단 선량 기준:
  • 자체처분된 물질로 인해 발생하는 전 지구적인 집단선량도 무시할 수 있는 수준이어야 합니다. 국제적으로는 연간 1 인-Sv (인-시버트) 이하를 기준으로 합니다.
  • 이는 총체적인 위험을 고려하여, 자체처분이 광범위하게 이루어지더라도 사회 전체에 미치는 영향이 미미해야 함을 의미합니다.
• 핵종별 농도 기준:
  • 위의 선량 기준을 바탕으로, 각 방사성 핵종의 방사선 특성(방사선 종류, 에너지, 반감기, 체내 동태 등)과 물질의 재활용/폐기 시나리오를 고려하여 핵종별, 물질별 특정 방사능 농도(Specific Activity) 기준(Bq/g 또는 Bq/cm2)이 제시됩니다.
  • 예를 들어, Cs-137, Co-60, Sr-90, C-14 등 주요 방사성 핵종별로 자체처분 농도 기준이 상세히 규정되어 있습니다. 이는 물질의 재활용/폐기 경로(예: 고철 재활용, 콘크리트 매립 등)에 따라 다르게 설정될 수 있습니다.

 

예시 (일반적인 기준치):

• 60Co: 0.1 Bq/g
• 137Cs: 0.1 Bq/g
• 14C: 1 Bq/g (고체), 10 Bq/g (액체)
• 우라늄 (자연 우라늄): 1 Bq/g
• 토륨 (자연 토륨): 1 Bq/g

9. 가압경수형 원자로에서 삼중수소가 생성되는 과정에 대해서 기술하시오.

 

가압경수로(Pressurized Water Reactor, PWR)는 경수(light water, H2​O)를 냉각재 겸 중성자 감속재로 사용하는 원자로

1. 핵연료 내 삼중수소 생성

• 주요 경로: 핵연료인 이산화우라늄(UO2​) 소결체 내에서 **삼원 핵분열(Ternary Fission)**에 의해 삼중수소가 직접 생성됩니다.
  • 핵분열 과정에서 우라늄(235U) 또는 플루토늄(239Pu) 핵이 중성자와 반응하여 두 개의 큰 핵분열 생성물로 쪼개지는 것이 일반적입니다. 그러나 매우 드물게(약 1만 분의 1 확률) 세 개의 핵분열 생성물이 발생할 수 있는데, 이때 가벼운 핵분열 생성물 중 하나로 삼중수소가 생성될 수 있습니다.
• 생성량: 이 경로를 통해 생성되는 삼중수소의 양은 전체 생성량의 약 1% 정도로 알려져 있습니다. 생성된 삼중수소는 대부분 핵연료 소결체 내에 갇혀 있지만, 일부는 핵연료 피복재(지르코늄 합금)를 통해 냉각수로 누출될 수 있습니다.

2. 냉각재 내에서의 중성자 활성화 반응 (가장 중요한 경로)

PWR에서 삼중수소 생성의 **대부분(약 99%)**은 냉각재인 경수(H2​O) 내의 수소 또는 붕소 원자가 중성자와 반응하여 생성됩니다.

가. 중수소(2H)의 중성자 포획 반응:

• 반응식: 2H+n→3H+γ
• 설명: 경수(H2​O)에는 자연적으로 약 0.015%의 중수소(2H, 듀테륨)가 포함되어 있습니다. 원자로 운전 중 이 중수소 핵이 노심에서 방출되는 중성자(특히 열중성자)를 포획하여 삼중수소를 생성합니다. 이 반응은 PWR에서 삼중수소를 생성하는 가장 주된 경로입니다.

나. 붕소(10B)의 중성자 흡수 반응:

• 반명식: 10B+n→7Li+4He (알파 입자)
  • 7Li+n→3H+4He (알파 입자)
• 설명: PWR에서는 원자로의 반응도를 제어하기 위해 냉각재에 붕산(Boric Acid, H3​BO3​)을 용해시켜 붕소(B)를 주입합니다. 자연 붕소의 약 20%를 차지하는 붕소-10(10B)은 중성자 흡수 단면적이 매우 커서 열중성자를 잘 흡수합니다. 붕소-10이 중성자를 흡수하면 리튬-7(7Li)과 헬륨-4(4He, 알파 입자)가 생성됩니다.
  • 이때 생성된 리튬-7이 다시 중성자를 흡수하여 삼중수소(3H)와 헬륨-4(4He)를 생성하는 반응이 일어납니다. 이 2단계 반응을 통해 상당량의 삼중수소가 생성됩니다.

다. 리튬(6Li)의 중성자 흡수 반응 (제어 불순물):

• 반응식: 6Li+n→3H+4He
• 설명: 리튬은 냉각재에 불순물로 존재하거나, 붕산에 불순물로 포함되어 들어올 수 있습니다. 특히 리튬-6(6Li)은 중성자 흡수 단면적이 매우 커서 중성자를 흡수하면 직접적으로 삼중수소와 헬륨-4를 생성합니다. 냉각재의 pH 조절을 위해 수산화리튬(LiOH)을 사용하기도 하는데, 이때 7Li 대신 6Li이 포함될 경우 삼중수소 생성을 촉진합니다. 따라서 PWR에서는 가능한 한 리튬-7(7Li)이 농축된 수산화리튬을 사용합니다.

3. 구조재 내에서의 중성자 활성화 반응

• 주요 경로: 원자로 내부의 구조재(스테인리스강 등)에 포함된 특정 원소들이 중성자와 반응하여 삼중수소를 생성할 수 있습니다.
  • 크롬(50Cr)의 반응: 50Cr+n→3H+… (매우 드물게 발생)
  • 니켈(59Ni)의 반응: 59Ni+n→3H+… (매우 드물게 발생)
• 생성량: 이 경로를 통한 삼중수소 생성량은 미미하며, 대부분의 삼중수소는 구조재 내에 갇혀 있습니다. 일부가 부식 등으로 냉각재로 방출될 수 있습니다.

PWR에서 삼중수소가 생성되는 가장 주된 과정은 냉각재 내의 중수소(2H)가 중성자를 포획하여 삼중수소로 변환되는 핵반응과 붕산으로 주입되는 붕소(10B)가 중성자를 흡수하여 삼중수소를 생성하는 반응입니다. 이렇게 생성된 삼중수소는 대부분 냉각수에 용해되어 존재하며, 일부는 기체 상태로 존재

10. 방사선폐기물의 처분시 적용되는 인도기준에는 처분후의 장기적인 안전성 확보와 폐기물의 취급 운반등 처분시설 운영 측면을 고려하여 여러 항목에 대한 제한을 요구하고 있다. 이들 제한 항목을 다섯가지이상 기술하시오.

 

방사성 폐기물 처분장으로 폐기물을 인도할 때 적용되는 기준(Waste Acceptance Criteria, WAC)은 처분 후의 장기적인 안전성과 처분 시설의 운영 안전성을 동시에 확보하기 위해 매우 중요합니다. 이 기준들은 폐기물의 특정 물리적, 화학적, 방사선적 특성에 대한 제한을 요구

1. 방사능 농도 (Radionuclide Content / Activity Concentration)

• 설명: 폐기물 고화체 또는 폐기물 용기 단위 부피/질량당 함유된 방사성 핵종의 최대 허용 농도를 제한합니다. 각 핵종의 반감기, 방사선 특성(알파, 베타, 감마), 이동성 등을 고려하여 개별 핵종 또는 총 방사능 농도에 대한 상한값을 설정합니다.
• 목적: 처분장의 총 방사능 재고량을 통제하여 처분 후 잠재적인 방사선 위험을 제한하고, 처분장 설계 시 예상된 피폭선량 평가 범위 내에 있도록 보장합니다.

2. 열 발생량 (Heat Generation Rate)

• 설명: 고준위 방사성 폐기물(사용후 핵연료 등)의 경우, 핵분열 생성물의 붕괴열로 인해 상당한 열이 발생합니다. 이 열 발생률에 대한 상한을 설정하여 처분 부지 암반의 열적 안정성을 유지하고, 지하수의 흐름 변화나 인접 방벽의 손상을 방지합니다.
• 목적: 처분장 주변 암반의 열적 스트레스를 최소화하고, 공학적 방벽(예: 점토)의 성능 저하를 방지하여 장기적인 격리 성능을 유지합니다. 중·저준위 폐기물에는 일반적으로 해당되지 않거나 매우 낮은 수준의 제한을 가합니다.

3. 물리적 형태 및 강도 (Physical Form and Mechanical Strength)

• 설명: 폐기물이 처분장으로 인도될 때의 물리적 상태(고체, 액체, 기체)와 고화체의 기계적 강도에 대한 기준입니다. 일반적으로 폐기물은 액체 상태가 아닌 고화된 형태로 존재해야 하며, 운반 및 처분 과정에서 파손되지 않을 충분한 강도와 안정성을 가져야 합니다.
• 목적:
  • 운반 및 취급 안전: 폐기물 운반 및 처분장 내 취급 시 용기 파손이나 내용물 누출 위험을 최소화합니다.
  • 장기 안정성: 처분 후 지질학적 압력이나 지하수 접촉 시 폐기물 고화체가 쉽게 붕괴되거나 변형되지 않도록 하여 방사성 핵종의 유출을 억제합니다.

4. 화학적 특성 및 안정성 (Chemical Properties and Stability)

• 설명: 폐기물 고화체의 화학적 조성, 용해도, 부식성, 유기물 함량, pH 등에 대한 제한입니다. 특정 화학 물질은 처분장 환경에서 지하수와 반응하여 방사성 핵종의 이동성을 증가시키거나, 처분 용기나 방벽 재료를 부식시킬 수 있으므로 이를 제한합니다.
• 목적: 방사성 핵종의 용출 속도를 최소화하고, 처분장 내 공학적 방벽(예: 콘크리트, 완충재) 및 자연 방벽(암반, 지하수)의 화학적 안정성과 성능을 장기간 유지합니다.

5. 가스 발생 가능성 (Gas Generation Potential)

• 설명: 폐기물 내 유기물이나 금속 물질의 부식 등으로 인해 처분장 내에서 가스(수소, 메탄, 이산화탄소 등)가 발생할 수 있습니다. 이러한 가스 발생 가능성에 대한 제한을 두어 처분장 내부의 압력 상승이나 가스 폭발 위험을 방지합니다.
• 목적: 처분장의 물리적 완전성(integrity)을 유지하고, 가스 흐름이 지하수의 흐름을 변화시켜 방사성 핵종의 이동을 가속화하는 것을 방지합니다. 또한, 운영 중 작업자의 질식 또는 폭발 위험을 줄입니다.

6. 표면 오염도 및 외부 방사선량률 (Surface Contamination and External Dose Rate)

• 설명: 폐기물 용기 외부 표면의 방사능 오염도와 용기 표면에서의 방사선량률에 대한 제한입니다. 운반 및 취급 과정에서 작업자 및 주변 환경의 불필요한 피폭을 방지하기 위함입니다.
• 목적:
  • 작업자 안전: 폐기물 취급 및 운반 작업자의 방사선 피폭을 허용 한도 이하로 유지합니다.
  • 오염 확산 방지: 폐기물 운반 경로 및 처분장 내 오염 확산을 방지하여 시설의 청결도를 유지합니다.

 

11. 반도체 검출기가 섬광검출기보다 에너지 분해능이 우수한 주된 이유를 설명하시오.

 

전하 캐리어(전자-정공 쌍) 생성에 필요한 평균 에너지(W 값)가 작고, 이 과정에서 발생하는 통계적 변동(Statistical Fluctuation)이 훨씬 적기 때문

섬광 검출기는 입사 방사선이 섬광체(예: NaI(Tl))와 상호작용하여 **광자(빛)**를 생성하고, 이 광자들이 광전 증배관(PMT)으로 이동하여 광전자와 전기 신호로 변환되는 과정을 거침

반도체 검출기(예: HPGe 검출기)는 입사 방사선이 반도체 물질과 상호작용하여 직접 전자-정공 쌍을 생성하고, 이들이 전기장 내에서 이동하여 전기 신호를 형성

1. 매우 작은 에너지 손실 (작은 W 값): 반도체에서 하나의 전자-정공 쌍을 생성하는 데 필요한 평균 에너지(W 값, 이 경우 eV/쌍)는 매우 작습니다 (게르마늄의 경우 약 2.9 eV/쌍, 실리콘의 경우 약 3.6 eV/쌍). 이는 섬광체에서 광자를 생성하는 데 필요한 에너지보다 약 100배 이상 작음

2. 높은 전하 캐리어 수: 동일한 에너지를 흡수하더라도 섬광 검출기보다 훨씬 많은 수의 전하 캐리어(전자-정공 쌍)가 생성됩니다. 예를 들어, 1 MeV의 에너지가 흡수될 때, NaI(Tl)는 약 1만~2만 개의 광전자를 생성하는 반면, HPGe는 약 30만 개 이상의 전자-정공 쌍을 생성

3. 낮은 통계적 변동:

• 에너지 → 전자-정공 쌍 생성 과정이 섬광체에서의 빛 생성 과정보다 훨씬 효율적이고 직접적입니다. 따라서 통계적 변동(이른바 **패노 인자(Fano Factor)**로 표현됨)이 매우 작습니다 (Fano Factor ≪1).
• 생성되는 전하 캐리어 수가 많기 때문에, 통계적으로 신호의 상대적 변동(σ/N)이 줄어듭니다. (변동은 N​에 비례하므로 N이 클수록 상대적 변동은 1/N​에 비례하여 작아짐)

4. 증배 과정 없음: 반도체 검출기는 PMT처럼 복잡한 광전자 증배 과정을 거치지 않으므로, 이 과정에서 발생할 수 있는 추가적인 잡음이 없습니다. 생성된 전하가 직접 전기 신호로 변환

 

반도체 검출기가 섬광 검출기보다 에너지 분해능이 월등히 우수한 주된 이유는 흡수된 방사선 에너지로부터 전기 신호를 생성하는 과정이 훨씬 효율적이고, 이 과정에서 생성되는 전하 캐리어(전자-정공 쌍)의 수가 압도적으로 많으며, 이로 인해 신호의 통계적 변동(잡음)이 현저히 낮기 때문입니다. 이는 최종적으로 측정되는 피크의 너비를 좁게 만들어 인접한 에너지의 방사선을 명확히 구별할 수 있게 함

 

12. 섬광검출기에 사용된 전치증폭기의 역할을 두가지만 쓰시오

 

 

• 신호 증폭 (Signal Amplification): 섬광검출기와 광전증배관(PMT)에서 나오는 신호는 매우 작고 미약합니다. 전치증폭기는 이 약한 신호를 주 증폭기(Main Amplifier)에서 처리할 수 있을 만큼 충분히 큰 전압 신호로 증폭시키는 역할을 합니다. 이는 신호가 주 증폭기에 도달하기 전에 잡음(noise)에 묻히는 것을 방지하고, 측정 시스템의 신호 대 잡음비(SNR)를 개선하는 데 필수적입니다.
• 임피던스 정합 (Impedance Matching): 광전증배관의 출력 임피던스는 매우 높고, 주 증폭기의 입력 임피던스는 일반적으로 낮습니다. 전치증폭기는 이 두 장치 간의 임피던스를 효과적으로 정합시켜 신호 손실을 최소화하고 효율적인 신호 전달이 이루어지도록 합니다. 이는 특히 검출기에서 주 증폭기까지의 케이블이 길어질 경우 발생하는 신호 왜곡 및 손실을 방지하는 데 중요합니다.

 

 

 

13. 공기중에 포함된 Co-60, I-131, Rn-222를 분리 측정하기 위한 적절한 시료 채취법에 대하여 설명하시오.

 

1. 60Co (입자성 방사성 물질) 시료 채취법

60Co는 주로 방사성 입자(particulate) 형태로 공기 중에 존재합니다.

• 시료 채취 방법: 고용량 에어 샘플링 (High Volume Air Sampling)
  • 설명: 고성능 에어 펌프를 이용하여 대량의 공기를 특정 필터(예: 유리섬유 필터, 셀룰로스 필터)를 통해 통과시킵니다. 공기 중의 60Co 입자는 필터에 포집됩니다.
  • 절차:
    1. 에어 펌프와 필터 홀더를 설치합니다.
    2. 정확한 유량(flow rate)을 설정하고 기록합니다.
    3. 일정 시간(예: 몇 시간~24시간) 동안 공기를 흡입하여 필터에 입자를 포집합니다.
    4. 샘플링 후 필터를 회수하여 습기나 오염으로부터 보호하고 밀봉합니다.
  • 측정: 회수된 필터를 감마 분광기(Gamma Spectroscopy)로 분석하여 필터에 포집된 60Co의 방사능을 측정합니다. 60Co는 1.17 MeV와 1.33 MeV의 특성 감마선을 방출하므로, 감마 분광기로 쉽게 식별 및 정량화할 수 있습니다.

2. 131I (기체 및 입자성 방사성 물질) 시료 채취법

131I은 주로 기체(기체상 아이오딘, 유기 아이오딘) 또는 에어로졸 입자 형태로 공기 중에 존재할 수 있습니다. 특히 휘발성이 강한 특징을 가집니다.

• 시료 채취 방법: 이중 필터 샘플링 (Dual Filter Sampling) 또는 활성탄 카트리지 샘플링 (Activated Charcoal Cartridge Sampling)
  • 설명: 기체상 아이오딘을 효과적으로 포집하기 위해 일반 입자 필터와 기체 포집용 흡착제(주로 활성탄)를 함께 사용합니다.
  • 절차:
    1. 입자 필터(예: HEPA 필터)를 먼저 설치하여 에어로졸 형태의 131I 입자를 포집합니다.
    2. 입자 필터 뒤에 활성탄(Activated Charcoal) 또는 특수 처리된 흡착제(예: TEDA-impregnated charcoal) 카트리지를 연결하여 기체상 아이오딘을 포집합니다. 활성탄은 넓은 표면적을 가지고 있어 기체상 아이오딘을 효과적으로 흡착합니다.
    3. 일정 시간 동안 공기를 흡입합니다.
    4. 각 필터 및 카트리지를 분리하여 회수하고 밀봉합니다.
  • 측정:
    • 입자 필터와 활성탄 카트리지를 각각 감마 분광기로 분석합니다.
    • 131I은 364 keV의 특성 감마선을 방출하므로, 이를 이용하여 각 매질에 포집된 131I의 양을 측정하고, 공기 중 농도를 계산합니다.

3. 222Rn (라돈 기체) 시료 채취법

222Rn은 자연적으로 발생하는 비활성 기체이며, 주로 토양이나 건축 자재에서 방출되어 공기 중에 존재합니다. 라돈 자체는 알파 붕괴를 하며, 그 딸핵종들이 피폭의 주된 원인이 됩니다.

• 시료 채취 방법: 라돈은 기체이므로 필터로 포집할 수 없으며, 특수 장비를 사용합니다.
  • 활성탄 흡착법 (Activated Charcoal Adsorption):
    • 설명: 일정량의 활성탄이 담긴 용기를 공기 중에 노출시켜 라돈 기체를 활성탄에 흡착시킵니다. 라돈은 활성탄의 미세 기공에 물리적으로 흡착됩니다.
    • 절차:
      1. 밀봉된 활성탄 용기를 개봉하여 특정 시간(예: 2~7일) 동안 측정하고자 하는 공간에 노출시킵니다.
      2. 노출 후 즉시 용기를 다시 밀봉하고 분석 실험실로 보냅니다.
    • 측정: 실험실에서 활성탄 용기를 감마 분광기(또는 알파 분광기)로 분석하여 활성탄에 흡착된 라돈의 딸핵종(주로 214Pb, 214Bi)에서 방출되는 감마선을 측정하여 라돈 농도를 역산합니다.
  • 알파 트랙 검출기법 (Alpha Track Detection):
    • 설명: 고체 비적 검출기(CR-39 등)가 포함된 용기를 공기 중에 노출시킵니다. 라돈 및 그 딸핵종의 알파 붕괴 시 방출되는 알파 입자가 검출기 필름에 미세한 손상을 남깁니다.
    • 절차:
      1. 검출기 용기를 측정 장소에 일정 기간(예: 1개월~3개월) 동안 노출시킵니다.
      2. 노출 후 회수하여 실험실로 보냅니다.
    • 측정: 실험실에서 필름을 화학적으로 에칭하여 알파 입자가 남긴 트랙(흔적)의 밀도를 현미경으로 세어 라돈 농도를 계산합니다. 장기간 평균 농도를 측정하는 데 적합합니다.
  • 연속 라돈 모니터 (Continuous Radon Monitor):
    • 설명: 전원을 사용하는 전자식 장비로, 공기를 장비 내부의 검출 챔버로 흡입하여 라돈의 알파 붕괴를 실시간으로 측정합니다.
    • 절차: 장비를 측정 장소에 설치하고 전원을 연결하면 일정 간격(예: 1시간)으로 라돈 농도를 측정하고 기록합니다.
    • 측정: 내장된 알파 검출기(예: 실리콘 검출기)를 통해 라돈 및 딸핵종의 알파 붕괴를 직접 계수하여 실시간 또는 단기간 평균 라돈 농도를 얻습니다.