[논문 리뷰] Fields of View for Environmental Radioactivity

Alex Malins, Masahiko Okumura외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 30.

Radioactive contamination and transferEnvironmental Science참고 문헌 2인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 자연 방사성 뉴클리드(40K, U/Th 계열)와 인위적 134Cs 및 137Cs 침착물에 기인한 주변 선량률에 기여하는 지면 방사성 뉴클리드의 공간 범위(이를 '시야'라 정의)를 정량화하기 위해 몬테카를로 방사선 운반 시뮬레이션(PHITS)을 사용한다. 이는 방사성세슘의 시야가 자연 방사성 뉴클리드보다 현저히 넓다는 것을 보여주며, 후쿠오카의 KURAMA 방사선 모니터링에서 자동차와 버스 간 독성 측정값의 차이를 설명하고, 국소적 토양 정화로 인한 선량률 감소 잠재력을 신속하게 추정할 수 있게 한다.

ABSTRACT

The gamma component of air radiation dose rates is a function of the amount and spread of radioactive nuclides in the environment. These radionuclides can be natural or anthropogenic in origin. The field of view describes the area of radionuclides on, or below, the ground that is responsible for determining the air dose rate, and hence correspondingly the external radiation exposure. This work describes Monte Carlo radiation transport calculations for the field of view under a variety of situations. Presented first are results for natural 40K and thorium and uranium series radionuclides distributed homogeneously within the ground. Results are then described for atmospheric radioactive caesium fallout, such as from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident. Various stages of fallout evolution are considered through the depth distribution of 134Cs and 137Cs in soil. The fields of view for the natural radionuclides and radiocaesium are different. This can affect the responses of radiation monitors to these nuclides if the detector is partially shielded from the ground within its field of view. The field of view also sets the maximum reduction in air dose rates that can be achieved through local decontamination or remediation measures. This maximum efficiency can be determined quickly from the data presented here for the air dose rate versus the spatial extent of radioactive source on the ground.

연구 동기 및 목표

• 환경 방사능에서 주변 감마선량률에 기여하는 지면 방사성 뉴클리드의 공간 범위(시야)를 정량화하는 것.
• 후쿠오카의 KURAMA 조사에서 자동차와 버스 간 방사선 모니터 반응의 관측된 차이를 설명하는 것.
• 국소적 토양 정화를 통한 공기 선량률 감소의 최대 가능성을 신속하게 추정하는 방법을 제공하는 것.

제안 방법

• 토양(ρ = 1.6 g/cm³)과 공기(ρ = 1.2×10⁻³ g/cm³)로 구성된 무한한 半공간 기하구조에서 감마선 운반을 모델링하기 위해 PHITS 코드를 사용한 몬테카를로 방사선 운반 시뮬레이션.
• 균일하게 분포된 40K, 232Th, 235U 및 238U 계열 방사성 뉴클리드와 지속적으로 깊이에 따라 감소하는 지수분포를 띠는 134Cs 및 137Cs를 토양 내에서 등방성 광자 방출으로 시뮬레이션.
• 지면에서 다양한 높이와 다양한 원천 반경에서의 주변 선량 등가율(H*(10))을 계산하여 총 선량률의 68% 기여를 하는 영역으로서의 시야를 결정.
• 시야 데이터를 활용해 국소적 토양 정화로 달성 가능한 최대 선량률 감소를 추정하며, 현실적인 정화 시나리오에 맞는 정화 요소(DF)를 통합.
• 자동차 및 버스 기하구조와 엔진 차폐를 고려한 시뮬레이션을 통해 검출기 반응에 미치는 시야 효과를 검증하고, 다양한 환경 조건에서의 선량률을 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 토양 내 자연 지반 방사성 뉴클리드(40K, U/Th 계열)의 시야는 인위적 134Cs 및 137Cs 침착물의 시야와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 40K 및 U/Th 계열 방사성 뉴클리드와 달리, 134Cs 및 137Cs 침착물의 시야는 감마선 에너지 및 원천 깊이 분포의 차이로 인해 현저히 넓다.
• 세슘 이동에 따라 토양 깊이로 더 깊이 침투할수록 방사성세슘의 시야가 좁아지며, 선량률에 대한 공간적 영향력이 감소한다.
• 지면에서의 높이가 증가할수록 134Cs 및 137Cs의 시야는 증가하지만, 자연 방사성 뉴클리드의 시야는 비교적 일정하게 유지된다.
• 낮은 선량 영역에서는 자연 방사성 뉴클리드가 지배적이며, 버스 엔진이 더 큰 비율의 시야를 차폐하므로, 자동차 대비 버스의 선량률 비율이 높아진다. 반면 고선량 영역에서는 방사성세슘에 의해 지배되므로 이러한 차이가 줄어든다.
• 10 m 반경 영역에서 134Cs 및 137Cs 침착물에 기인한 주변 선량 등가율의 68%가 이 영역 내에서 기인하므로, 이 영역을 완전히 정화할 경우 선량률이 68% 감소할 수 있다.
• 정화 요소(DF)가 20일 경우 잔류 방사능은 5%이며, 이는 방사성세슘 기여에 대해 최대 64.6%의 선량률 감소를 달성할 수 있음을 의미한다.