The dose-rate conversion factors (DCFs) prescribed in FGR 12 and FGR13 of USEPA have been widely used for assessing public members and radiation workers’ doses due to radionuclides released to the environment from nuclear facilities under their normal operations or accidental conditions. Recently, the dosimetric models and parameters which include use of the Reference Male and Female Phantoms (ICRP 110, 2009), the revised tissue weighting factors and radiation weighting factors (ICRP 103, 2007), as well as the updated decay data of radionuclides (ICRP 107, 2008) have been significantly changed. All of these changes should affect the values of DCFs. Therefore, the data set of DCFs should be revised to reflect such recent changes.
In this study, the DCFs for effective and equivalent doses were calculated for three exposure settings: air submersion (skyshine), ground surface contamination (groundshine) and water immersion. Doses to the Reference Phantoms were calculated by Monte Carlo simulations with the MCNPX 2.7.0 radiation transport code and DOSFACTOR-DOE.
It is evident that radiations produced extremely far from the receptor phantoms do not contribute to the resulting dose, while they increase computation time and relative errors significantly. To avoid this inefficacy, appropriate converging of distances (CODs) is employed for this computation. In order to determine the CODs for photons having different energies, trial calculations were made with a simplified receptor model which is the tissue equivalent sphere of 1 m in diameter centered at 1.5 m above the ground surface or deep in water.
The CODs were 2.5 ~ 6 MFPs depending on the photon energies in the cases of skyshine and groundshine, and about 7 MFPs in the case of water immersion, respectively.
The MCNP transport calculations were tried out for the source volume and area within the converging of distances (CODs) practically contributing to the dose-rates, which had been determined by a simplified calculation model newly suggested in this study. If the infinite medium is assumed for calculating doses, this calculation by applying COD has the advantage in reducing computation time and for optimizing the calculation errors when the same events have been generated.
For solving the difficulty of reduction of variances for small tissues and performing efficient simulations in skyshine, the ratios of the equivalent doses for small tissues to their neighboring larger ones (EDRM) with lower statistical errors, such as muscle, have been introduced. EDRM (or ADRM) can calibrate the absorbed doses having the large relative errors by using the absorbing ratio of hypothetical materials to target by assuming hypothetical materials surrounding the target material having large relative error for the generation of the same events.
Empirical response functions considering photon energies, and the organ equivalent or effective doses were then derived by use of curve fitting with a cubic spline of the resulting doses for 26 mono-energetic photons between 0.01 to 10 MeV. The DCFs for all radionuclides were evaluated by combining the photon emission data of the radionuclides and the cubic spline fitting functions.
Finally, contributions of accompanied beta particles to the skin equivalent and effective doses were calculated with DOSFACTOR-DOE code separately, and then added to the radionuclide-specific DCFs.
The new DCFs have been compared to those provided in FGR 12 and FGR 13. The difference of DCFs is within ±10 % of the values suggested in FGR 12 and 13 except a few radionuclides (e.g. 120mI, 102Rh, 135Ce and 190nIr, etc.) due to their decay data, organ dose distribution and the characteristics of Reference Phantoms.
Although the new DCFs are insignificantly different from the previous ones, it should be emphasized that they are derived by reflecting new information of the current ICRP recommendations (ICRP 103, 2007).
원자력시설의 사고 및 정상운영 중 환경상으로 유출되는 방사성물질에 의한 일반인과 방사선작업종사자의 선량평가 시 사용되는 선량환산인자(DCFs)는 미국환경청에서 발행한 FGR 12 및 13에 제시된 값들이 널리 활용되고 있다. 최근에 남성 및 여성 기준 인체모형(ICRP 110, 2009), 방사선가중치 및 조직가중치(ICRP 103, 2007) 와 핵종 붕괴자료가 새롭게 개정(ICRP 107, 2008)되는 등 선량평가 모델 및 인자에 중요한 변화가 있었다. 이 모든 변화는 선량환산인자 값에 영향을 미칠 수 있는 인자이므로 새롭게 제시된 선량평가모델 및 인자를 기반한 선량환산인자를 새롭게 제시할 필요가 있다.
본 연구에서는 무한 매질 오염의 대표적인 세 개의 피폭경로 (Skyshine, Groundshine 및 Water immersion)에서 등가 및 유효선량환산인자를 방사선 수송해석코드인 MCNPX 2.7.0 과 DOSFACTOR-DOE 코드를 활용하여 계산을 수행하였다.
방사선에 피폭되는 인체의 아주 먼 거리에서 생성된 방사선은 외부피폭선량에 기여할 가능성이 거의 없을 뿐만 아니라 코드 계산에 소요되는 시간 및 계산 오차를 심각하게 증가시키는 원인이 된다. 그러므로, 이러한 비효율성을 피하기 위해 본 논문에서는 피폭수렴거리(CODs)의 개념을 도입하였다. Skyshine 및 Groundshine 피폭환경에서 광자의 피폭수렴거리를 계산하기 위해 직경 1 m의 조직등가구를 토양 표면에서 조직등가구 중앙까지 1.5 m 높이에 위치시켜 볼륨 및 거리를 증가시켜가며 단일에너지 광자별로 피폭수렴거리를 평가하였으며, Water immersion의 경우 물에 완전 잠김 상태를 가정하여 피폭수렴거리를 평가하였다. 평가 결과 Skyshine 및 Groundshine에서 광자에너지에 따라 2.5 ~ 6 MFPs 의 피폭수렴거리를 보였으며, 수중 잠김의 경우는 계산의 편의를 위해 최대 피폭수렴거리인 7 MFPs를 모든 광자에너지의 피폭수렴거리로 결정하였다. 본 연구에서 제시한 COD는 무한매질의 크기를 가정할 때 계산시간의 절감 및 동일 개수의 사상을 발생시켰을 때 계산 오차를 최적화 시킬 수 있는 장점이 있다.
세가지 피폭경로별로 가정된 피폭환경에서 광자에너지에 따라 평가된 피폭수렴거리를 이용하여 장기별 흡수선량을 계산하였다. Skyshine 의 경우 큰 볼륨 (100 keV 이상의 광자에너지)의 흡수선량평가 시 작은 장기에 대한 에러를 저감하기 위해 적은 볼륨 (100 keV 이상의 광자에너지)에서 계산된 인접장기(근육)와 평가 대상 장기흡수선량의 비(K factors)를 이용하여 에러가 큰 작은 장기에 대한 선량을 보정해주는 방법(EDRM or ADRM)을 이용하여 계산을 수행하였다. EDRM은 동일 사상으로 상대에러가 큰 타깃의 경우 그 주변에 가상의 물질을 가정하여 그 물질과 타깃의 흡수선량비를 이용, 상대에러가 큰 타깃의 흡수선량을 보정할 수 있으므로 다방면에 응용이 가능하다.
핵종에서 방출되는 광자의 에너지 스펙트럼 특성을 반영하기 위해 0.01 ~ 10 MeV 사이 26개 단일에너지 광자로 계산된 장기별 흡수선량을 이용 삼차 스플라인 보간법을 이용한 커브 피팅을 통해 중간 에너지의 등가 및 유효선량환산인자를 계산하였다.
최종적으로, DOSFACTOR-DOE 코드로 계산된 전자에 의한 피부 등가선량을 합하여 핵종별 등가 및 유효선량환산인자를 계산하였다.
새로운 선량평가모델 및 인자로 계산된 선량환산인자(DCFs)와 FGR 12 및 13에 제시된 기존 선량환산인자를 비교해 본 결과 일부 핵종(e.g. 120mI, 102Rh, 135Ce and 190nIr, etc.)을 제외하고는 차이가 ±10 % 범위 안에 있으며, 그 차이는 핵종붕괴자료, 장기선량 분포 및 기준 팬텀의 차이에서 기인하는 것으로 확인되었다.
전체적인 평가 결과로 볼 때 FGR 12 및 13의 선량환산인자와 큰 차이는 없었지만, 본 연구는 최근에 발간된 ICRP 103 권고를 기반한 유효선량평가 대상장기에 대한 등가선량 계산 수행, 새로운 선량환산인자 제시 및 무한매질 선량평가시 새로운 평가방법인 COD와 EDRM (or ADRM) 방법론을 제시한 것에 큰 의의가 있다.
