Radioactivation Analysis of Concrete Shielding Wall of Cyclotron Room Using Monte Carlo Simulation

Cyclotron is a device that accelerates positrons or neutrons, and is used as a facility for making radioactive drugs having short half-lives. Such radioactive drugs are used for positron emission tomography (PET), which is a medical apparatus. In order to make radioactive drugs from a cyclotron, a nuclear reaction must occur between accelerated positrons and a target. After the reaction, unncessary neutrons are produced. In the present study, radioactivation generated from the collisions between the concrete shielding wall and the positrons and neutrons produced from the cyclotron is investigated. We tracked radioactivated radioactive isotopes by conducting experiments using FLUKA, a type of Monte Carlo simulation. The properties of the concrete shielding wall were comparatively analyzed using materials containing impurities at ppm level and materials that do not contain impurities. The generated radioactivated nuclear species were comparatively analyzed based on the exposure dose affecting human body as a criterion, through RESRAD-Build. The results of experiments showed that the material containing impurities produced a total of 14 radioactive isotopes, and $^{60}Co$(72.50%), $^{134}Cs$(16.75%), $^{54}Mn$(5.60%), $^{152}Eu$(4.08%), $^{154}Eu$(1.07%) accounted for 99.9% of the total dose according to the analysis having the exposure dose affecting human body as criterion. The $^{60}Co$ nuclear species showed the greatest risk of radiation exposure. The material that did not contain impurities produced a total of five nuclear species. Among the five nuclear species, 54Mn accounted for 99.9% of the exposure dose. There is a possibility that Cobalt can be generated by inducive nuclear reaction of positrons through the radioactivation process of $^{56}Fe$ instead of impurities. However, there was no radioactivation because only few positrons reached the concrete wall. The results of comparative analysis on exposure dose with respect to the presence of impurities indicated that the presence of impurities caused approximately 98% higher exposure dose. From this result, the main cause of radioactivation was identified as the small ppm-level amount of impurities.

PET 사이클로트론 가동에 따른 콘크리트 차폐벽의 방사화

사이클로트론은 양자 또는 중양자를 가속하는 장치로써 의료장비인 양전자방출촬영장치(PET)에 이용되는 단반감기의 방사성의약품을 생산하는 시설로 이용되고 있다. 사이클로트론에서 방사성의약품을 생산하기 위해선 가속된 양성자와 타켓과의 핵반응이 필요하며 반응 후 불필요한 중성자가 발생하게 된다. 이에 본 연구에서는 사이클로트론에서 발생되는 양성자와 중성자가 콘크리트 차폐벽과 충돌하여 발생되는 방사화에 대해 알아보고자 하였다. 실험은 몬테카를로 모의 모사의 한 종류인 FLUKA를 통해 방사화된 방사성동위원소를 추적하였으며, 콘크리트 차폐벽의 물성은 ppm 단위의 미량의 불순물이 포함된 물성과 불순물이 포함되지 않은 물성을 이용하여 비교 분석하였다. 발생된 방사화 핵종은 RESRAD-Build를 통해 인체에 미치는 피폭선량율 기준으로 비교분석하였으며, 실험결과 불순물이 포함된 콘크리트 물성에서는 총 14개의 방사성동위원소가 생산되었으며, 인체에 미치는 피폭선량을 기준으로 분석 하였을 때, $^{60}Co$(72.50%), $^{134}Cs$(16.75%), $^{54}Mn$(5.60%), $^{152}Eu$(4.08%), $^{154}Eu$(1.07%)이 전체 선량의 99.9%를 차지하였으며, 피폭의 위험도는 $^{60}Co$ 핵종이 가장 높게 나타났다. 불순물이 포함되지 않은 물성에서는 총 5개의 핵종이 나타났으며, 그 중 $^{54}Mn$이 피폭선량의 99.9%를 차지하는 것으로 나타났다. 양성자의 유도 핵반응에 따라 불순물이 아닌 $^{56}Fe$에서 방사화 과정을 통해 Cobalt가 발생될 가능성이 있으나 콘크리트벽에 도달하는 양성자의 개수가 작아 방사화를 일으키지 못하였다. 불순물의 포함 여부에 따른 피폭선량의 비교결과 불순물이 포함된 경우가 그렇지 않은 경우 보다 약 98% 높게 나타나 ppm 단위의 미량의 불순물이 방사화의 주요인임을 알 수 있었다.