공개문제 방사선관리기술사 68회 2002년도 2교시

1. Cu-64의 β- 붕괴, EC, β+ 붕괴의 상대빈도가( β-):(EC):( β+) = 2:2:1이고 Cu-64의 반감기는 12.8 시간이다.

 

(1) Cu-64의 붕괴상수를 구하시오. 

 

붕괴상수 = In(2)/12.8시간

0.05414 /h

 

(2) β- 붕괴에 대한 반감기를 구하시오. 

 

붕괴빈도

2+2+1 = 5

β-  붕괴빈도 = 2/5 = 0.4

0.05414 /h X 0.4 = 0.021656 /h

반감기

In(2)/ 0.021656 /h = 31.99시간

 

(3) 3.7×10^7 β- rays/sec 방출하는 Cu-64의 선원의 크기를 mCi 단위로 계산하시오.

 

β- 방출률 = 3.7×10^7 β- rays/sec = 1초당 3.7 × 10⁷개의 베타 마이너스 입자(전자)가 방출된다는 의미

β- 방출률 3.7×10^7 β- rays/sec = 전체 봉괴율 X 0.4

전체 붕괴율 = 9.25X10^7Bq

1Ci = 37GBq

단위변환

9.25X10^7Bq / 37GBq = 0.0025 Ci = 2.5mCi

 

 

2. 방사성동위원소 밀킹에 대해 다음의 질문에 답하시오.

 

(1) 밀킹의 뜻을 설명하시오. 

 

특정 방사성 동위원소(이를 모핵종이라고 합니다)가 방사성 붕괴를 통해 다른 방사성 동위원소(이를 자핵종이라고 합니다)를 생성할 때, 이 자핵종을 주기적으로 분리 및 추출하여 사용하는 과정을 말합니다. 마치 소에서 우유를 짜는 것에 비유하여 '밀킹'이라는 용어가 사용

모핵종의 반감기가 자핵종의 반감기보다 훨씬 긴 경우에 유용하게 사용됩니다. 장반감기의 모핵종을 한 번 생산해두면, 이로부터 단반감기의 자핵종을 필요할 때마다 반복적으로 얻을 수 있어, 자핵종을 매번 생산할 필요 없이 효율적으로 사용할 수 있습니다. 

 

(2) Mo-99에서 Tc-99m의 밀킹이 최대로 가능한 시간을 추정하시오. 단, 베이트만 식에 의한 자핵종(Tc-99m) 생성량을 식으로 표시하면 다음과 같다. N₂(t) = [λ₁ / (λ₂ - λ₁)] N₁(0) [e^(-λ₁t) - e^(-λ₂t)] 여기서 N₁(0)는 Mo-99의 초기량, Mo-99의 반감기는 66시간, Tc-99m의 반감기는 6시간이다.

식정리

Mo-99 붕괴상수 = In(2) /  66시간 = 0.0105 /h

Tc-99m 붕괴상수 = In(2) /  6시간 =  0.01155 /h

최대 밀킹시간과 영구평형상태는 틀림

최대 밀킹 시간은 밀킹 후 처음으로 자핵종의 양이 최대가 되는 특정 시점

영구 평형은 모핵종과 자핵종이 계속해서 붕괴하고 생성되면서 그 비율이 안정적으로 유지되는 장기적인 상태

저위에 식에서 시간을 미분해서 0이되면 최대상태가된다

 

In( [0.01155 /h] / [0.0105 /h]) / [0.01155 /h - 0.0105 /h] = 22.83시간

 

(3) 10mCi의 Mo-99를 정제하여 분리한 후 오랜 시간이 지났을 때 Tc-99m의 방사능은 얼마가 되는지 계산하시오. 

 

영구평형상태

자핵종방사능과 모핵종방사능은 같다.

10mCi

 

3. 어느 방사화학자가 10 mCi(370MBq)의 Na-24가 들어 있는 시약병으로부터 2m 떨어진 곳에서 선원의 존재를 모르고 8시간 동안 작업을 하였다. Na-24는 반감기가 15시간이며, 매 붕괴시 1.37MeV와 2.75MeV의 감마선을 1개씩 방출한다. 두 감마선의 인체에 대한 질량흡수계수는 각각 0.028, 0.024 ㎠/g이다.

 

(1) 작업자의 위치에서 등가선량률을 계산하시오. 

 

Na-24 붕괴상수 = In(2) / 15시간 = 0.0462 /h

초기 방사능 = 370MBq

MeV 단위 J로 변경 1.37MeV와 2.75MeV

1 MeV = 1.6 X 10^-19J

1.37MeV X 1.6 X10^-19J = 2.19474×10−13 J/붕괴

2.75MeV X 1.6 X10^-19J = 4.4055×10−13 J/붕괴

질량흡수 계수 단위변경 0.028, 0.024 ㎠/g

0.028 ㎠/g = 0.0028 m2/kg

0.024 ㎠/g = 0.0024 m2/kg

1.37MeV 흡수선량률 = [370MBq X 2.19474×10−13 J/붕괴 X 1개 X 0.0028 m2/kg] / 4 X 파이 X 2m^2

= 4.53×10−9 Gy/s

2.75MeV 흡수선량률 = [370MBq X 4.4055×10−13 J/붕괴  X 1개 X 0.0024 m2/kg] / 4 X 파이 X 2m^2

= 7.777×10−9 Gy/s

총 흡수선량률 = 4.53×10−9 Gy/s + 7.777×10−9 Gy/s = 1.2307×10−8 Gy/s

감마선 방사선 가중치 1

등가선량 = 1.2307×10−8 Sv/s

단위 변환 시간당

1.2307×10−8 Sv/s X 3600s/h = 4.43052×10−5 Sv/시간 = 0.0443 mSv/시간

 

(2) 작업하는 동안 받은 선량예탁량을 구하시오. 

 

0.0443 mSv/시간 X 8시간작업 = 0.3544 mSv

 

4. 필름 배지와 열형광선량계의 장단점을 비교 설명하시오.

 

필름 배지 (Film Badge)

필름 배지는 방사선에 의해 감광되는 특수 필름을 사용하여 피폭 선량을 측정합니다.

장점:

• 영구적인 기록: 필름 자체가 방사선 피폭에 대한 영구적인 기록을 남기므로, 법적 증거 자료나 과거 피폭 이력을 확인하는 데 유용합니다.
• 다양한 방사선 종류 구분 가능: 여러 종류의 필터(예: Cu, Al, Pb 등)를 사용하여 X선, 감마선, 베타선, 경우에 따라 중성자선(카드뮴 필터 등)의 에너지 및 종류를 어느 정도 구분하여 측정할 수 있습니다.
• 비교적 저렴한 비용: TLD 판독 장비에 비해 초기 설치 및 운영 비용이 상대적으로 저렴합니다.

단점:

• 즉시 판독 불가: 필름을 현상 및 분석하는 과정이 필요하므로, 실시간 또는 즉시 선량 확인이 불가능합니다. 보통 월별 또는 분기별로 교체하여 판독합니다.
• 환경 조건에 민감: 온도, 습도, 빛(자외선 포함) 등의 환경 조건에 민감하여 필름이 손상되거나 배경 선량이 증가하여 오차가 발생할 수 있습니다.
• 낮은 선량 측정 민감도: 비교적 낮은 선량(수십 마이크로시버트 이하)에서는 민감도가 떨어져 정확한 측정이 어려울 수 있습니다.
• 자동 판독 시스템 필요: 대량의 필름을 처리하기 위해서는 자동 현상 및 판독 장비가 필요하며, 장비 유지보수 및 전문 인력이 요구됩니다.

열형광선량계 (Thermoluminescent Dosimeter, TLD)

TLD는 방사선 에너지를 흡수하여 열을 가했을 때 빛(열형광)을 방출하는 물질(예: LiF, CaSO₄)을 사용합니다. 방출되는 빛의 양이 흡수된 방사선량에 비례합니다.

장점:

• 넓은 선량 범위 및 높은 민감도: 매우 낮은 선량부터 높은 선량까지 넓은 범위에서 정확하고 높은 민감도로 측정이 가능합니다.
• 작은 크기와 휴대성: 필름 배지에 비해 크기가 매우 작고 가벼워 착용이 편리하며, 다양한 형태로 제작될 수 있습니다.
• 환경 조건에 둔감: 빛이나 습도 등 환경 변화에 필름 배지보다 훨씬 둔감하여 안정적인 측정이 가능합니다.
• 재사용 가능: 적절한 어닐링(annealing) 과정을 거치면 여러 번 재사용이 가능하여 경제적일 수 있습니다.

단점:

• 영구적인 기록 불가: 측정 후 TLD 리더기로 열을 가하여 빛을 방출시키면 기록된 정보가 지워지므로, 피폭 선량에 대한 영구적인 기록이 남지 않습니다. (재판독 불가)
• 고가의 판독 장비: TLD를 판독하기 위한 TLD 리더기는 필름 현상 장비보다 일반적으로 고가이며, 주기적인 교정 및 유지보수가 필요합니다.
• 에너지 의존성: 특정 TLD 물질은 방사선 에너지에 따라 반응도가 달라질 수 있어, 정확한 측정을 위해서는 에너지 보정 요소를 적용해야 합니다.
• 중성자선 측정의 어려움: 일반적인 TLD는 중성자선에 대한 민감도가 낮거나 측정이 어렵습니다. 중성자선량을 측정하기 위해서는 특수 핵종(예: 6Li가 농축된 LiF-TLD)이 포함된 TLD를 사용해야 하며, 감마선과의 분리 측정에 어려움이 있을 수 있습니다.

 

5. 방사선 피폭의 확률적 영향과 결정적 영향의 특성을 비교 설명하고 각각의 예를 두 가지씩 제시하시오.

 

1. 확률적 영향 (Stochastic Effects)

확률적 영향은 방사선 피폭 선량의 증가에 따라 발생할 확률만 증가하고, 일단 발생하면 그 영향의 심각도는 선량에 비례하지 않는 특성을 가집니다. 역치 선량(Threshold Dose)이 없다고 가정하므로, 아무리 낮은 선량이라도 발생 가능성은 존재한다고 봅니다. 이는 주로 세포의 유전 물질(DNA) 손상으로 인해 세포가 비정상적으로 증식하거나 변형되어 나타나는 현상입니다. 영향이 나타나기까지 긴 잠복기(수년~수십 년)를 가집니다.

특성:

• 역치 선량 없음: 선량이 아무리 낮더라도 발생할 확률은 존재합니다.
• 발생 확률만 증가: 선량이 증가하면 영향이 발생할 확률이 높아지지만, 영향의 심각도 자체는 선량에 비례하지 않습니다.
• 긴 잠복기: 피폭 후 영향이 나타나기까지 수년에서 수십 년의 시간이 걸립니다.
• 무작위적 발생: 특정 개인에게 반드시 발생한다고 예측하기 어려우며, 개인의 유전적 요인이나 다른 환경 요인에 따라 발생 여부가 달라질 수 있습니다.

예시:

1. 암 (Cancer): 방사선 유발 암은 방사선 피폭으로 인해 세포의 DNA가 손상되어 비정상적으로 증식하게 되는 대표적인 확률적 영향입니다. 백혈병, 폐암, 갑상선암 등이 포함됩니다.
2. 유전적 영향 (Hereditary Effects): 생식 세포의 DNA가 손상되어 피폭된 개인의 자손에게 나타날 수 있는 유전적 질환이나 기형을 의미합니다.

2. 결정적 영향 (Deterministic Effects)

결정적 영향은 특정 선량, 즉 역치 선량(Threshold Dose) 이상으로 피폭되었을 때만 발생하며, 역치 선량을 초과하는 선량이 증가할수록 영향의 심각도도 비례하여 증가하는 특성을 가집니다. 이는 주로 방사선에 의해 많은 수의 세포가 죽거나 기능이 손상되어 나타나는 현상으로, 비교적 짧은 잠복기(수일~수주)를 가집니다.

특성:

• 명확한 역치 선량 존재: 특정 선량(역치) 이상으로 피폭되어야만 영향이 나타나며, 그 이하의 선량에서는 영향이 발생하지 않습니다.
• 심각도와 선량의 비례: 역치 선량을 초과하는 선량이 증가할수록 영향의 심각도(예: 증상의 정도, 회복 기간, 영구 손상 여부)도 증가합니다.
• 비교적 짧은 잠복기: 피폭 후 비교적 짧은 시간 내에 증상이 나타납니다.
• 조직/기관 손상: 주로 특정 조직이나 기관의 대규모 세포 사멸 또는 기능 부전으로 인해 발생합니다.

예시:

1. 급성 방사선 증후군 (Acute Radiation Syndrome, ARS): 전신에 고선량(약 1 Sv 이상)의 방사선이 단시간에 피폭되었을 때 나타나는 증상들의 복합체입니다. 구토, 설사, 탈모, 골수 기능 저하로 인한 감염 및 출혈 등이 있으며, 심한 경우 사망에 이를 수 있습니다.
2. 백내장 (Cataract): 눈의 수정체가 혼탁해지는 현상으로, 수정체에 일정 선량(약 0.5 Gy 이상) 이상의 방사선이 피폭될 경우 발생할 수 있습니다.
3. 피부 홍반 (Skin Erythema) 및 탈모 (Epilation): 피부에 높은 선량의 방사선이 국부적으로 피폭될 때 나타나는 피부의 붉어짐, 염증, 털 빠짐 현상입니다.
4. 불임 (Sterility): 생식기관에 특정 역치 이상의 방사선이 피폭될 경우 영구적인 불임이 발생할 수 있습니다.

 

6. ICRP의 1990년 권고 60과 관련하여 다음의 질문에 답하시오.

 

(1) 정상 피폭과 잠재 피폭에 대해 설명하시오.

 

 

• 정상 피폭 (Normal Exposure): 정상 피폭은 방사선원 및 관련 설비가 정상적으로 운영되는 상황에서 예상되는 피폭을 의미합니다. 이는 계획된 운전 조건 하에서 발생하는 피폭으로, 피폭 수준과 발생 확률이 사전에 예측 가능하고 통제 가능한 범위 내에 있습니다. 예를 들어, 원자력 발전소에서 일상적으로 작업하는 종사자들이 받는 피폭, 의료 진단 시 환자가 받는 피폭, 또는 방사성 물질 배출 관리 기준 이하로 인한 일반 대중의 환경 피폭 등이 정상 피폭에 해당합니다.
• 잠재 피폭 (Potential Exposure): 잠재 피폭은 방사선원이나 설비의 비정상적인 작동(사고, 고장, 부적절한 조작 등)으로 인해 발생할 수 있는 예상치 못한 피폭을 의미합니다. 이러한 피폭은 발생할 확률은 낮지만, 일단 발생하면 피폭의 크기가 커질 수 있는 특징을 가집니다. 즉, 발생 여부나 크기가 불확실한 피폭입니다. 예를 들어, 원자력 발전소의 중대 사고로 인한 방사성 물질 누출에 의한 피폭, 방사성 물질 운반 중 용기 파손으로 인한 피폭, 또는 의료용 방사선 장비의 오작동으로 인한 과다 피폭 등이 잠재 피폭에 해당합니다.

 

 

(2) 잠재 피폭에 대한 방사선 방호 수단을 결정하기 위한 평가 순서를 기술하시오. 

 

잠재 피폭에 대한 방사선 방호 수단을 결정하기 위한 평가는 주로 확률론적 안전성 평가(Probabilistic Safety Assessment, PSA) 기법을 활용하며, 다음과 같은 단계를 따릅니다.

1. 사고 시나리오 식별 및 특성화: 잠재 피폭을 유발할 수 있는 가능한 모든 사고 시나리오를 식별합니다. 각 시나리오의 발생 확률, 예상되는 방사성 물질의 방출량 및 형태, 방출 경로 등을 상세하게 분석하여 특성화합니다.
2. 피폭 선량 평가: 각 사고 시나리오별로 작업자 및 일반 대중이 받을 수 있는 잠재적 피폭 선량(등가선량, 유효선량)을 정량적으로 평가합니다. 이는 다양한 피폭 경로(외부 피폭, 흡입, 섭취 등)를 고려하여 수행됩니다.
3. 위험도 평가: 계산된 피폭 선량을 바탕으로 각 시나리오의 방사선 위험도를 평가합니다. 이는 시나리오의 발생 확률과 해당 시나리오로 인한 피폭 선량(또는 영향 발생 확률)을 종합하여 계산됩니다. 예를 들어, 사망 또는 중상해 발생 확률 등으로 표현될 수 있습니다.
4. 방호 최적화 (ALARA): 평가된 위험도를 최소화하기 위한 다양한 방호 수단(예: 공학적 안전 설비, 운영 절차 개선, 비상 계획 수립 등)을 식별합니다. 이러한 방호 수단을 적용하는 데 드는 비용과 얻어지는 위험 감소 이득을 비교 분석하여, 합리적으로 달성 가능한 가장 낮은 수준(ALARA, As Low As Reasonably Achievable)의 방호 수준을 결정합니다.
5. 방호 수단 구현 및 검증: 결정된 방호 수단을 설계에 반영하고 실제 시설에 구현합니다. 구현된 시스템이 의도한 대로 작동하는지 주기적인 시험 및 검증을 통해 확인합니다. 또한, 비상 대비 및 대응 계획을 수립하고 정기적인 훈련을 통해 실효성을 확보합니다.
6. 정기적인 재평가: 시설 운영 중 또는 환경 변화, 기술 발전 등에 따라 잠재 피폭 시나리오나 위험도가 달라질 수 있으므로, 주기적으로 평가 순서를 반복하여 방호 수단의 적절성을 재확인하고 필요 시 업데이트합니다.

 

(3) 방사선 핵종에 대한 연간 섭취한도(ALI) 계산 방법을 ICRP-30에 근거한 이전의 방법을 수정하여 제시하였는데, 수정된 내용에 대해 설명하시오. 

 

 

• 조직 가중 계수(WT​)의 변경:
  • ICRP-30: 암 발생 위험이 높은 7개 조직(Gonads, Breast, Red Bone Marrow, Lung, Thyroid, Bone Surface, Other Tissues)에 대해 조직 가중 계수를 부여했습니다.
  • ICRP-60: 방사선에 민감한 조직의 종류와 가중치를 확장 및 수정했습니다. 예를 들어, 위(stomach), 소장(small intestine), 대장(colon), 식도(esophagus), 간(liver), 뇌(brain), 신장(kidney), 부신(adrenal gland), 췌장(pancreas), 비장(spleen), 흉선(thymus), 근육(muscle), 자궁(uterus), 방광(bladder) 등 보다 많은 장기와 조직에 가중 계수를 부여했습니다. 이는 전신에 걸쳐 방사선 유발 암 위험을 보다 포괄적으로 반영하기 위함입니다. 또한, 유전적 영향의 가중치를 낮추고 암 발생의 가중치를 상대적으로 높였습니다.
• 선량 한도 및 위험 계수의 변경:
  • ICRP-30: 연간 유효선량 한도는 직업인은 50 mSv, 일반인은 5 mSv로 제시되었습니다.
  • ICRP-60: 직업인의 연간 유효선량 한도를 **20 mSv (5년 평균)**로, 일반인의 연간 유효선량 한도를 1 mSv로 하향 조정했습니다. 이는 방사선 피폭에 대한 보수적인 접근과 함께, 확률적 영향(특히 암 발생 위험)에 대한 새로운 지식과 평가를 반영한 결과입니다. 이러한 선량 한도 감소는 ALI 값에도 직접적인 영향을 미쳐, 많은 핵종의 ALI 값이 ICRP-30에 비해 감소했습니다.
• 호흡기 모델 및 위장관 모델의 개선:
  • ICRP-30: ICRP Publication 26 및 30에서는 호흡기 모델(Lung Model)과 위장관 모델(GI Tract Model)을 사용하여 섭취된 방사성 핵종의 체내 거동을 평가했습니다.
  • ICRP-60: 이 모델들을 더욱 정교하게 개선했습니다. 예를 들어, 호흡기 모델은 흡입된 에어로졸의 입자 크기, 화학 형태, 폐에서의 흡수율(Absorption Rate) 등을 더 세분화하여 반영했습니다. 위장관 모델 또한 소화액의 영향, 장벽 투과율 등을 보다 현실적으로 반영하여 핵종의 생체역학적 거동(biokinetics) 평가의 정확성을 높였습니다.