Variation Analysis of Distance and Exposure Dose in Radiation Control Area and Monitoring Area according to the Thickness of Radiation Protection Tool Using the Calculation Model: Non-Destructive Test Field

계산 모델을 활용한 방사선방어용 도구 두께에 따른 방사선관리구역 및 감시구역의 거리 및 피폭선량 변화 분석 : 방사선투과검사 분야 중심으로

Abstract

Recently, interest in radiation protection is increasing because of the occurrence of accidents related to exposure dose. So, the nuclear safety act provides to install the shields to avoid exceeding the dose limit. In particular, when the worker conducts the non-destructive testing (NDT) without the fixed shielding structure, we should monitor the access to the workplace based on a constant dose rate. However, when we apply for permits for NDT work in these work environments, the consideration factors to the estimation of the distance and exposure dose are not legally specified. Therefore, we developed the excel model that automatically calculates the distance, exposure dose, and cost if we input the factors. We applied the assumption data to this model. As a result of the application, the distance change rate was low when the thickness of the lead blanket and collimator is above 25 mm, 21.5 mm, respectively. However, we didn't consider the scattering and build-up factor. And, we assumed the shape of the lead blanket and collimator. Therefore, if we make up for these limitations and use the actual data, we expect that we can build a database on the distance and exposure dose.

방사선은 의료, 연구, 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있어 방사선 이용기관 및 방사선작업종사자의 수가 증가하고 있으며, 방사선 관련 피폭 사고도 발생함에 따라 방사선방호 및 안전에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 원자력안전법에서는 방사선원을 이용하는 장소에 대해서는 선량한도를 초과하지 않도록 하기 위해 차폐물을 설치하도록 규정하고 있다. 특히, 고정 설치된 차폐시설이 없는 곳에서 방사선투과검사 작업 수행 시, 일정한 선량율을 기준으로 작업장 출입 및 일반인 접근 여부를 감시하고 있다. 하지만, 고정 설치된 차폐시설 없는 곳에서의 방사선투과검사 작업 허가 신청 시, 방사선관리구역 및 (일반인) 감시구역거리 및 해당 거리에서의 피폭선량 계산에 고려해야 할 인자들은 법적으로 규정되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는 방사선방호용 도구(납 담요, Collimator)의 특성(규격, 두께 등), 사용 선원 등을 입력 시, 자동으로 방사선관리구역 및 (일반인) 감시구역 거리와 비용을 산정해 주는 Excel model을 개발하였다. 이후 특정 가정을 바탕으로 방사선방호용 도구 두께에 따른 피폭선량 및 거리 변화율을 분석한 결과, 방사선방어용 도구의 두께가 증가함에 따라 방사선관리구역의 거리는 감소하였으나, 납 담요 두께가 25 mm, Collimator의 두께가 21.5 mm 이상부터는 거리의 변화율이 낮았다. 따라서, 해당 두께 이상의 방사선방어용 도구를 사용하고도 방사선관리구역 및 (일반인) 감시구역에서의 피폭선량이 높은 경우, 방사선방어용 도구 이외의 요소를 변화시켜 피폭선량을 낮추어야 할 것으로 예상된다. 또한, 본 연구에서는 1) 피폭선량 계산 시, 산란성 및 Build up 등을 고려하지 않은 점, 2) 납 담요 및 Collimator의 실제 모양이 아닌 직육면체와 중심이 빈 원기둥 모양으로 가정 등으로 인해 실제 피폭선량과 차이가 있다는 한계점이 있었다. 따라서, 향후 앞선 한계점들을 고려하면서 실제 작업환경에 대한 자료를 활용하여 연구를 수행한다면, 실제 작업환경을 바탕으로 방사선관리구역 거리 및 피폭선량 등에 대한 Database 구축이 가능할 것으로 예상된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

방사선은 의료, 연구, 산업 등 다양한 분야에서 지속적으로 활용되고 있으며, Fig. 1, 2에서 제시된 바와 같이 방사선 이용기관 및 방사선작업종사자의 수는 최근 5년간 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.^[1-5] 방사선 이용이 다양해지고 그 활용성이 높아지는 반면, 방사선 관련 피폭 사고가 증가함에 따라 방사선 방호 및 안전에 대한 관심도 증가하고 있다. 이에 원자력안전법^[6]은 방사성동위원소 및 방사선 발생장치를 사용하는 장소에 대해 법적으로 규정된 선량한도를 초과하지 않도록 차폐벽이나 차폐물을 설치하도록 규정하고 있다. 특히, 최근 방사선 피폭 사고가 증가하고 있는 방사선투과검사 작업에서 고정 설치된 차폐시설이 없는 곳에서 작업을 수행할 경우, 10 μSv/hr를 초과하는 구역에 대해서는 작업장 출입 관리를, 1 μSv/hr를 초과하는 구역에 대해서는 일반인의 접근 여부를 감시하도록 규정하고 있다.^[7] 하지만, 규제 기관이 고정 설치된 차폐시설이 없는 곳에서의 방사선투과검사 작업 허가 신청시, 방사선관리구역, (일반인) 감시구역 거리 및 해당 거리에서의 피폭선량 계산에 고려해야 할 인자들은 법적으로 규정되어 있지 않아 방사선투과검사 업체 방사선안전관리의 혼란을 야기할 수 있다.

Fig. 1. The number of each institution using radiation for the last five years.

Fig. 2. The workers of each institution using radiation for the last five years.

본 연구에서는 앞서 기술된 방사선투과검사 분야의 방사선안전관리 상에서의 혼란을 방지하기 위해 방사선투과검사 작업 시, 방사선방호용 도구(납 담요, Collimator) 특성(규격, 두께 등)과 사용 선원 등을 입력 시, 방사선관리구역 및 (일반인) 감시구역의 거리와 비용을 자동으로 산정해 주는 Excel model을 개발하고자 한다. 또한, 개발된 Excel model에 특정 가정을 적용 후 방사선방호용 도구 두께에 따른 방사선관리구역(이하 관리구역) 및 (일반인) 감시구역 거리와 해당 거리에서의 피폭선량 변화를 분석하여 최적의 방사선방호를 위한 기초자료를 구축하고자 한다.

Ⅱ. DEVELOPMENT OF DISTANCE AND EXPOSURE DOSE CALCULATION MODEL FOR NDT WORKPLACE

1. 사용 프로그램(Excel 내 Macro&VBA)

방사선투과검사업체나 방사선작업종사자 등이 관리구역 및 감시구역 거리 또는 비용 산정을 위한 프로그램은 특별한 프로그램 설치나 관련 교육 이수를 하지 않고도 손쉽게 사용할 수 있는 프로그램 이어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 Excel 프로그램 내 Macro 기능을 사용하였으며, Macro 기능을 사용하기 위한 VBA Code를 작성하였다. 여기서, Macro란 여러 개의 특정 명령을 반복 사용 시 각각의 명령을 하나하나 만들지 않고 하나의 키만 입력하여 일련의 명령 집합을 실행시키는 기능이며, VBA(Visual Basic for Application)는 Macro 기록 시 사용되는 프로그래밍 언어이다.^[8] 또한, 본 연구에서 계산하고자 하는 관리구역 및 감시구역 거리와 피폭선량을 구하는 공식은 방사선투과검사 분야에서 허가신청 시 사용하는 공식인 Eq. (1), (2)를 사용하였다. Eq. (2)에서 거리는 개발된 프로그램에서 입력 인자에 따라 도출된 관리구역 또는 감시구역 거리이다.

2. 관리구역 및 감시구역 거리와 비용 산정 모델 개발

관리구역 및 감시구역 거리, 그리고 해당 거리에서의 피폭선량을 산정하기 위해서는 사용 방사선원의 비감마상수 및 방사능, 차폐체의 구성 물질, 방사선 차폐 기준을 사전에 선정해야 한다. 이에 방사선투과검사 분야에서 주로 사용 중인 방사선원과 차폐물을 조사하였고, 주 사용 선원은 Am-241, Co-60, Ir-192, RG, Se-75였으며, 차폐물은 납 담요와 Collimator였다. 본 연구에서는 납 담요 및 Collimator 규격을 Table 1과 같이 가정하여 관리구역 및 감시구역 거리를 산정하였다. 이는 방사선투과검사 업체별로 작업환경 및 작업 대상물이 다양 하고, 차폐체를 판매하는 업체가 다양하여 차폐체별 규격(모양, 두께 등)이 상이할 것으로 예상되기 때문이다.

Table 1. Assumptions of the lead blanket and Collimator

Table 1에 제시된 바와 같이 납 담요와 Collimator는 각각 100% 납과 텅스텐으로 구성되어 있다고 가정하였고, 각 차폐체의 부피와 밀도, 단위 질량당 비용을 활용하여 각 차폐체의 비용을 산정하였다. 납과 텅스텐(텅스텐 카바이드 기준)의 kg당 금액은 각각 2,600원, 35,400원으로 가정하였다.

방사선 방호를 위해 필요한 도구 및 인력에 따른 비용을 확인하기 위해서는 1) 납 담요 및 Collimator 구매 비용, 2) 관리구역 및 감시구역 구분용 Line 및 경광등 구매 비용, 3) 감시구역 내 일반인 출입을 제 한하기 위한 감시인 인건비 등이 포함되어야 할 것 으로 판단된다. 하지만, Line 및 경광등 구매 비용은 방사선투과검사 업체별로 사용하는 Line의 종류가 상이하고, 경광등 금액 확인이 불가능하여, 본 연구 에서는 1) 납 담요 비용, 2) Collimator 비용, 3) 인건 비 (감시구역 내 감시인 고용 시)만 고려하였다.

\(\begin{aligned} &\text { 방사선관리구역 및 감시구역 거리 }=\sqrt{\text { 비감마상수 } \times \frac{\text { 방사선 원 방사능 }}{\text { 방사선차폐기준 }}} \times e^{-\frac{0.693}{\text { 차펴물 } 1 \text { 반가층 }} \times \text { 차계물 } 1 \text { 두께 }} \times e^{-\frac{0.693}{\text { 차폐물 } 2 \text { 반가층 }} \times \text { 차펴물 } 2 \text { 두께 }} \end{aligned}\)       (1)

\(\text { 피폭선량 }=\text { 비감마상수 } \times \frac{\text { 방사선 원 방사능 }}{(\text { 거리 })^{2}} \times e^{-\frac{0.693}{\text { 차폐물 } 1 \text { 반가층 }} \times \text { 차폐물 } 1 \text { 두께 }} \times e^{-\frac{0.693}{\text { 차폐물 } 2 \text { 반가층 }} \times \text { 차폐물 } 2 \text { 두께 }} \times \text { 시간 }\)        (2)

2.1 모델 Sheet의 구성

Excel VBA Code를 개발하기 전, 필요한 자료를 한눈에 알아볼 수 있도록 각 Sheet를 구성하고, 도출된 자료를 정확한 Cell에 제시하기 위해 각 Cell의 이름을 정의하는 것이 중요하다. 본 연구에서 개발된 모델은 Report sheet와 Condition sheet로 구성이 되어 있다. Report sheet에는 방사선투과검사 작업장의 특성 및 관리구역 및 감시구역의 거리, 해당 거리에서의 피폭선량, 비용 등에 대해 제시되어 있으며, Condition sheet에는 차폐체의 성분에 관한 특성, 사용 선원의 비감마상수, Report sheet 내 선택 스크롤 인자들의 선택항목 등이 기재되어 있다. 각 Sheet의 구성은 Fig. 3, 4와 같다.

Fig. 3. Construction of Condition sheet

Fig. 4. Construction of Report sheet.

2.2 개발

Code 앞서 제시된 Sheet 구성 및 각 Cell의 이름을 정의한 후, 개발된 Excel VBA 코드 종류는 Table 2와 같다. 또한, 차폐체 비용, 인건비, 총비용 계산 시 Eq. (3) ~ (5)를 사용하였으며, 코드별 진행과정은 Fig. 5에서 Fig. 9와 같다.

Table 2. Details for Excel VBA code

\(\text { 차폐체 부픠 }\left[\mathrm{cm}^{3}\right] \times \text { 밀도 }\left[\mathrm{kg} / \mathrm{cm}^{3}\right]=\text { 차폐체 질량 }[\mathrm{kg}]\)       (3)

\(차폐체 질량 [\mathrm{kg}] \times 단위 질량당 비용 [ 원 / \mathrm{kg}] = 차폐체 비용 [원]\)        (4)

\(\text{인원수[명]} \times \text{시간당임금[원/hr]} \times \text{작업시간[hr]} = \text{인건비[원]}\)        (5)

Fig. 5. Code about input of standard for lead blanket.

Fig. 6. Code about input of standard for collimator.

Fig. 7. Code about input of the factor for used source and monitoring area.

Fig. 8. Code about input of the factor for work environment.

Fig. 9. Code about calculation of distance, exposure dose, and cost.

Ⅲ. RESULT

1. 방사선방호용 도구 두께에 따른 관리구역 및 (일반인) 감시구역 거리 및 피폭선량

방사선투과검사 시 동일한 방사선원을 사용하더라도 차폐체 두께에 따라 관리구역 및 (일반인) 감시구역의 거리는 변화된다. 또한, 앞서 제시된 바와 같이 방사선투과검사 시 관리구역의 기준선량율은 10 μSv/hr이고 일반인 접근 감시 기준 선량율은 1μSv/hr이다.^[7] 이에 법적 선량 기준과 Table 1, 3의 가정을 바탕으로 방사선방호용 도구 두께에 따른 관리구역 및 감시구역 거리 및 해당 거리에서의 피폭선량 변화를 분석하였다.

Table 3. Conditions used to derive the distance of the radiation control area and (general person) monitoring area

1.1 방사선방호용 도구 두께에 따른 관리구역 및 (일반인) 감시구역 거리 변화

납 담요의 경우, 5 mm부터 50 mm까지 5 mm 간격으로 총 10개의 납 두께에 대한 관리구역 및 감시구역 거리 변화율을 확인하였다. Collimator의 경우, 현재 시중에 판매 중인Collimator의 두께(10, 11, 17, 20, 21.5, 25, 30 mm)를 반영하여 총 7개의 텅스텐 두께에 대한 관리구역 및 감시구역 거리 변화율을 확인하였다. 각각의 방사선방호용 도구 두께 변화에 따른 거리 변화율을 확인하기 위해 납 담요의 두께 변화 시 Collimator 두께는 10 mm로, Collimator 두께 변환 시 납 담요 두께는 5 mm로 가정하였다. 이러한 가정을 바탕으로 납 담요 두께 및 Collimator 두께에 따른 관리구역 및 (일반인) 감시구역 거리 변화는 Table 4 및 Fig. 10과 같다.

Table 4. Distance change according to thickness of radiation protection tool

Fig. 10. (a) Change of distance for Radiation control area and (General person) monitoring area according to the thickness of lead and (b) Change of distance for Radiation control area and (General person) monitoring area according to the thickness of tungsten.

방사선방어용 도구 두께에 따른 관리구역 및 감시구역 거리 변화를 분석한 결과, 방사선방어용 도구의 두께가 증가함에 따라 각각의 거리는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 납 담요의 두께는 25 mm, Collimator의 두께는 21.5 mm부터는 거리의 변화율이 낮은 것을 확인하였다.

1.2 방사선방호용 도구 두께 및 관리구역 거리에 따른 피폭선량 변화

방사선투과검사 시 작업 효율을 높이고, 가이드선의 길이를 감소시켜 작업시간을 단축하기 위해서는 관리구역 거리를 감소시켜야 한다. 하지만, 거리가 너무 많이 감소될 경우, 방사선작업종사자의 피폭선량이 높을 수 있기 때문에 방사선투과검사 작업장에서는 다량의 납 담요나 두께가 두꺼운 Collimator를 사용하고 있으나, 이는 방사선 작업장소로의 이동 및 방사선 작업 간의 시간이 길어지게 하므로 작업시간이 증가하게 된다. 따라서, 방사선투과검사의 효율을 높이면서 작업시간을 단축시키기 위해서 방사선방어용 도구의 두께 및 수량을 적절하게 선정하는 것이 중요하다.

Table 3에 제시된 가정을 바탕으로 납 담요 및 Collimator가 존재하지 않을 경우, 관리구역이 32 m, 20 m, 15 m, 10 m 일 때, 연간 피폭선량은 각각 약 20 mSv, 50 mSv, 90 mSv, 200 mSv였다.

방사선작업종사자의 연간 선량한도가 ‘연간 50 mSv를 넘지 않는 선에서 5년간 100 mSv’이므로 관리구역을 15 m에서부터 32 m까지의 거리가 포함된 15 ~ 35 m를 5 m 구간으로 나누어 구간별 납 담요 및 Collimator 두께에 따른 관리구역에서의 피폭선량을 평가하였다. 10 mm 두께의 Collimator 사용 유무와 납 담요 두께에 따른 관리구역에서의 피폭선량 변화는 Table 5와 같다. 또한, 5 mm 두께의 납 담요 사용 유무와 Collimator 두께에 따른 관리구역에서의 피폭선량 변화는 Table 6와 같으며, 이를 분석한 결과는 Table 7과 같다.

Table 5. According to thickness of lead, change of exposure dose in radiation control area [Unit: mSv]

Table 6. According to the thickness of tungsten, change of exposure dose in radiation control area [Unit: mSv]

Table 7. Result of model analysis based on the assumption

Ⅳ. DISCUSSION AND CONCLUSION

방사선은 주로 진단 및 치료 목적으로 의료분야에서 사용되고 있으나, 최근에는 물질 내 구성 및 결함을 확인하기 위한 연구 및 산업분야에서도 많이 사용되고 있다.^[9] 활용 분야가 다양해짐에 따라 각 사용 분야별 작업환경도 상이할 것으로 예상된다. 각 분야별 방사선작업종사자의 피폭선량을 확인한 결과, 특히 방사선투과검사 분야의 피폭선량이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 본 연구에서는 방사선학적 위험성이 높을 것으로 예상되는 방사선투과검사 분야의 방사선방어용 도구 특성에 따른 관리구역 및 피폭선량을 자동으로 계산할 수 있는 모델을 개발하였다. 이러한 프로그램을 사용하여 방사선방어용 도구 특성에 따른 관리구역 거리 및 관리구역에서의 피폭선량을 분석하였다.

이를 분석한 결과, 첫 번째로 방사선방어용 도구의 두께가 증가함에 따라 관리구역의 거리는 감소하였으나, 납 담요 두께가 25 mm, Collimator의 두께가 21.5 mm 이상부터는 거리의 변화율이 낮은 것을 확인하였다. 따라서, 해당 두께 이상의 방사선 방어용 도구를 사용하고도 방사선작업종사자의 관리구역 및 (일반인) 감시구역의 피폭선량이 높은 경우에는 방사선방어용 도구 이외의 요소를 변화시켜 피폭선량을 낮추어야 할 것으로 판단된다. 두 번째로 관리구역 거리별 납 두께에 따른 피폭선량은 Collimator 사용 유무에 따라 일반인 선량한도에 도달하는 납 두께가 평균 약 2.2배 (15 m 일 때 1.6배, 20 m 일 때 1.75배, 25 m 일 때 2.33배, 30 m 일 때 3배, 35 m 일 때 2.5배), 피폭선량은 약 8배가 차이가 났다. 관리구역거리별 텅스텐 두께에 따른 피폭선량은 납 담요 사용 유무에 따라 일반인 선량한도에 도달하는 텅스텐 두께가 거의 차이가 없었으며, 피폭선량은 약 1.8배 차이가 났다.

본 연구는 납과 텅스텐의 두께에 따른 감쇠 효과만 고려하였고, 피폭선량 계산 시, 산란성 및 Build up 등은 고려하지 않았으며, 납 담요 및 Collimator는 실제 모양이 아닌 직육면체와 중심이 빈 원기둥 모양으로 가정한 것으로 실제 피폭선량과 차이가 있다는 한계점이 있다.

향후 앞선 한계점들을 고려하여 실제 작업환경을 반영한 연구를 수행한다면, 실제 작업환경에 대한 관리구역 거리 및 피폭선량 등에 대한 Database 구축이 가능할 것으로 예상된다. 또한, 본 연구에서 분석된 결과는 방사선투과검사 분야에서 최소비용으로 최대 편익(피폭선량 최소화)를 도출하는데 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.