高等輻射屏蔽特論 – 加速器保健物理 Accelerator Health Physics

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1 核能與輻射 許榮鈞工科系 / 核工所, 國立清華大學 2018/10/27

2 How to Recognize When Someone Is Talking Rot President Drew Faust welcomes the Class of 2021 to Harvard College: The most important goal of higher education is to ensure that graduates can recognize when someone is talking rot. (Jeremy Knowles)

3 輻射安全 2005/03-CT

4 輻射 輻射 = 汙染與病變 恐懼? 我們恐懼很大的原因是來自不正確資訊的過度喧染!

5 媒體誤導案例 自由時報 (2014/10/27) 身在輻中不知輻! 台灣輻汙嚴重 : 這次使用原能會自己認證過的輻射偵檢儀, 讓原能會無法狡辯儀器有問題等 結果發現台灣真的是人工輻射百貨店, 人工核種無所不在, 如最多的是銥 192 碘 131 銫 137, 在台北則還有鈽的存在, 像是在立法院中興大樓 大安森林公園 國父紀念館 中正紀念堂 蘋果日報 (2015/01/19) 驚! 哪來的劇毒人工核種 : 台灣環境輻射走調團日前完成人工核種分布調查, 發現台鐵台北車站 台中車站 清華大學生技館及北市大安森林公園等 102 處, 疑有不該存在的人工核種如碘 -131 鈽等, 質疑與核電廠燒核廢料未做好防護措施有關

6 台灣環境輻射地圖? 民間自主發起的 " 台灣環境輻射走調團 ", 2013 進行全台輻射普查, 第一階段完成台灣 澎湖 金門總共 733 個地方, 測量了 1959 個測點, 累計大約 個測値, 在 44 好的儀器用在不適當的場合個地方找出 54 個嚴重超標三倍的測點 (> 0.3 Sv/h) 汙染源主要來自老舊的核電廠跟燃燒低階核廢料的減容中心 ( 天然輻射, 要求原能會儘速提出說明跟因應對策 ) 並錯誤解讀數據! 核一核二廠外測量 Wg.Pu?

7 認識輻射 我們對輻射有多少認識呢? 輻射是什麼? 輻射從何而來? 輻射有甚麼用途? 自然背景輻射強度? 可能輻射暴露的途徑? 輻射對健康有什麼影響? 如何度量輻射與輻射防護?

8 輻射是什麼? 什麼是輻射? 一種能量的發射和傳遞 輻射包括各種不同能量的電磁波 ( 例如光線 無線電波 X 射線及 射線等 ) 以及由放射性核種 核反應或加速器產生的粒子 ( 例如中子或 及 粒子等 ) 輻射通常可分兩類 : 非游離輻射及游離輻射 非游離輻射 ( 例如光線及無線電波 ) 的能量較低, 不足以改變物質的性質 相反, 游離輻射有足夠的能量使原子中的電子離開束縛而產生帶電離子 這個游離過程可能會導致生物組織產生變化, 因而對生物構成傷害 宇宙充滿輻射 自古以來, 地球上的生命便一直暴露於自然環境的輻射中 輻射是無聲 無色 無臭 無味, 大部份情況我們無法感覺其存在 不過, 我們可以利用儀器探測和量度它們

9 輻射從何而來? 輻射按其來源可以分為兩大類 : 天然輻射 : 我們接觸到的天然輻射包括來自外太空的宇宙射線及存在於食物 空氣及居住環境的天然放射性物質等 地球早在 46 億年前, 便由宇宙中各式各樣核反應產生的塵體所構成, 從那時起各種放射性元素也因此存在於我們生存的地球上 其中大部分不安定 壽命短的核種很快便消失了 ; 而半衰期長達 45 億年的 鈾 -238 如今還剩下一半, 總計至今地殼中的放射性物質估計尚有千萬億居里, 但因平均分佈在世界各地, 不至於對生物造成威脅 人造輻射 : 我們接觸到的人造輻射以用於醫療診斷治療的輻射 (X 光 CT PET) 為最大宗, 其他可能來源還有過往大氣層核試塵埃 核能發電 科學研究 工業與民生應用等

10 天然輻射 宇宙射線 : 來自銀河與太陽的宇宙射線, 為各種能量的電磁波和粒子所組成 在高海拔地區因為大氣較稀薄阻擋小, 所以輻射會增強, 一般地區每升高約 1500 公尺, 輻射劑量即增加一倍 宇宙射線在離地表越高的位置就越強, 所造成的劑量也就越高 土壤或岩石 : 土壤及岩石中, 含有不同濃度的天然放射性核種, 例如釷 -232( 半衰期為 140 億年 ) 鈾 -238( 半衰期為 45 億年 ) 鉀 -40( 半衰期為 13 億年 ), 此類核種是自地球誕生以來就存在 食物與人體 : 最主要的天然放射性核種為鉀 kg adult: 14 C & 40 K ~0.2 Ci = 7400 Bq 採礦與建材 : 開發與使用過程會將天然放射性物質如鉀 - 40 釷 -232 鈾 -238, 自地底下開採至地面上 氡氣 : 地殼中之天然放射性核種鈾 -238 與釷 -232, 在自然衰變過程中其子核之一為放射性惰性氣體氡氣 (Rn)

11 環境背景輻射 世界上有很多地方的天然背景輻射高得嚇人, 甚至遠遠超過法規限值 ( 輻射人員 20 msv/y) 長期調查這些地方居民的致癌率及遺傳疾病, 結果與一般正常地區的民眾並無任何差異 2 Source: UNSCEAR & Health Research Foundation, Kyoto, Japan

12 台灣天然環境輻射度量 新竹清華大學 武嶺, 合歡山 (2011/09/07)

13 台灣常見航線所受劑量

14 人造輻射 醫療輻射 : 人造輻射中, 醫療輻射占最主要來源, 包括 X 光檢查 CT 電腦斷層掃描 PET 正子斷層掃描及癌症放射治療等 醫療輻射帶來的好處遠遠大於可能的傷害, 一般不列入輻射管制 核爆落塵 : 核爆後飄落地面的一切細碎放射物質稱為 落塵, 炸點高度愈高, 進入大氣層 ( 對流層與平流層 ) 的產物便愈多, 散播距離越遠, 落塵落地速度越慢, 核爆所產生的輻射落塵會散播至人類的生存環境中 核能發電 : 核能發電為電力主要來源之一, 核能電廠採行的是 深度防禦 的輻射安全防護設計, 有多重可靠的工程屏蔽設計, 加上管制上應用距離平方反比與時間的控制, 在鄰近廠區周邊的輻射背景值均在自然輻射背景值的變動範圍內 科學與工業應用 : 加速器 同位素應用 非破壞檢測 消毒殺菌 警煙霧偵檢器 螢光

15 BNCT 輻射用途? 核電公投! 現代社會是離不開輻射的, 我們在日常生活中享用到輻射應用所帶來的好處, 例如 : 發電 醫療 工農商業方面, 輻射的應用多不勝數 發電用途 醫學用途 科學用途 工業用途 農業用途 考古用途 消費品用途 輻射公投?

16 輻射會透過甚麼途徑影響我們? 放射性物質可以通過不同途徑影響人體 有些經由自然或人為途徑輸送到我們周遭, 放射性物質的輻射可能直接照射我們, 這是體外暴露 (External Exposure), 亦可能隨著呼吸或進食而進入我們體內, 造成體內暴露 (Internal Exposure)

17 輻射對生物有什麼影響? 人體吸收輻射能量時, 細胞組成可能被游離造成 DNA 單鏈或雙鏈斷裂傷害 ( 直接傷害 ) 因為水佔了人體約 70 % 的重量, 而水分子被游離後會產生有害的 OH 自由基, 這些自由基會接續產生一連串化學反應, 造成細胞傷害 ( 間接傷害 ) 細胞有自行修復的能力, 大部分細胞會恢復正常 假若細胞嚴重受損而無法修復或修復有錯誤時, 則可能顯出健康受損的症狀

18 輻射的生物效應 確定性效應 發生傷害的嚴重性與輻射劑量成比例, 而且有低限劑量, 例如噁心嘔吐 脫髮 血球變化等 細胞死亡等 機率性效應 保守假設傷害發生的可能性與輻射劑量成正比 ( 沒有低限劑量 ), 例如誘發癌症或遺傳疾病 目前研究結果對於 200 msv 以內的輻射劑量, 無科學證據證明有害 ~1000 msv ~200 msv

19 如何度量輻射? 游離區 波長 ( 米 ) 頻率 ( 週 / 秒 ) 能量 ( 電子伏 ) 宇宙射線 電磁輻射電磁波 X 射線 γ 射線 γ 射線 紫外線 X 射線 游離輻射 β - 射線 ( 貝他 ) β 射線 ( 正子 ) 非游離區 紅外線 微波雷達 可見光 光學區 粒子輻射 荷電粒子 電子射線 α 粒子 質子粒子 電視 (UHF) 電視 (VHF) 短波 射頻 重離子或介子 電力 非荷電粒子 中子 游離輻射的分類

20 輻射防護三大原則 : 時間 距離 屏蔽 Half-Value Layer (HVL) for -ray: 9 cm of soil 6 cm of concrete 1 cm of lead 0.2 cm of depleted uranium 150 m of air

21 輻射安全管制體系圖解 輻射安全 管制 原子能委員會 許可 : 核發輻射源 設施與輻射作業, 輻防人員 操作人員與運轉人員證照, 審核輻防計畫與監測計畫 管制 : 管制所有輻射相關的人 事 物 檢查 : 派員檢查輻射作業及其操作 罰則 : 不合規定者, 應令期限期改善, 得令其停止作業 ; 或依法進行罰則裁處 事 輻射作業 物 輻射源 人 人員 設施經營者自主管理與檢查 1 設置輻射防護管理組織或人員 ; 2 擬定輻射防護計畫 ; 3 確保輻射作業符合輻防標準 : - 人員防護, - 地區管制 : 擬定場所劃分 管制 監測計畫及排放輻射安全評估 4 執行證照管理 ; 5 申報一般與意外事項 ; 6 記錄保存 豁免 輻射源豁免管制標準 或天然放射性物質 背景輻射 登記證 活度小於豁免管制量 100 倍的物質 電壓小於 150kV 或粒子能量小於 150keV 的設備 每五年執行輻射安全測試並換證 許可證 活度大於豁免管制量 100 倍的物質 電壓大於 150kV 或粒子能量大於 150keV 的設備 每年提報年度偵測證明 每五年執行輻射安全測試並換證 高強度設施 活度大於一千兆貝克的物質 加速電壓大於 30MV 或粒子能量大於 30MeV 的設備 每年提報年度偵測證明?? 每五年執行輻射安全測試並換證 輻防人員 每 6 年繼續教育 : 輻防師 :96 小時輻防員 :72 小時 輻射安全證書 每 6 年繼續教育 : 操作放射性物質或可發生游離輻射設備之人員 :36 小時 運轉人員證書 每 6 年繼續教育 : 高強度設施運轉人員 : 36 小時 年齡限制 ( 輻射工作人員認定基準 ) 輻射工作人員 定期訓練 (3 小時 / 年 ) 未達輻射工作人員認定基準之人員 ( 年劑量小於 1 毫西弗者 ) 劑量監測 醫務監護

22

23 核能發電 2005/03-CT

24 核能發電的原理 愛因斯坦的質能公式 :E=mc 2 一個原子核分裂會釋放約 200 MeV 的能量, 遠遠大於化學反應所能釋放的能量 核反應所釋放的能量用來加熱水產生蒸氣, 蒸氣推動渦輪旋轉發電 Source:

25 核能電廠的結構 核燃料 反應器爐心 反應器廠房 Source:

26 核能發電的優勢 煤 石油 天然氣 核能或其它能源都可以用來發電 核能發電的主要優勢在於能量密度高, 燃料體積小重量輕, 運輸貯存方便, 可視為自產能源, 而且發電過程不產生 CO 2 Source:

27 媒體誤導案例 以目前科技來說, 風能與太陽能或許是唯二在台灣可行的再生能源, 越多越好 但是, 還是需要類似容量的傳統電廠當備援 ( 萬一老天不幫忙 ) 媒體常常誇大再生能源的能力, 例如 地熱 : 自由時報 (2016/05/23) 地熱潛能 : 全台蘊含量可抵 9.7 座核四廠 聯合報 (2016/10/20) 首座地熱電廠通過環評, 每年供電相當核二廠 黑潮 : 蘋果日報 (2016/08/31) 黑潮好有力, 實測發電獨步全球 聯合報 (2016/09/01) 黑潮發電創世界首例 太陽能 : 自由時報 (2017/09/10) 自家裝設 34 瓩太陽能板, 約花費 250 萬, 若全台有 8 萬戶裝設, 總經費 2000 億, 發電量就等同 1 座核 4 廠

28 媒體誤導案例 Facts: 容量因數 : 核能 >85% 太陽光電 ~13%(2016) 風能 ~27%(2016) 核二廠 :2 985MW e 8760h 85%~147 億度電地熱 : 第一口 1MW, 逐年擴大 2025 每年供 8 億度電, 相當一座核二廠黑潮 :26.31kW 若 2030 在台灣東岸建置 20 座 可取代核能發電提供全台七成用電 核四廠 :1350MW e 2 85%~2295MW e 太陽能 :34kW e 80,000 13%~354MW e

29 Source: westinghousenuclear.com 核能發電的疑慮 核反應器不可能像原子彈那樣爆炸, 這是基於不爭的物理學事實, 因為要維持連鎖反應不容易 核能發電最主要安全挑戰在於衰變熱的控制與核廢料的處置

30 核電的生命週期 1. 鈾礦開採 濃縮 核燃料製作 2. 核能電廠使用發電 3. 短中期與最終處置 4. 或核廢料再處理 95% Source: wikipedia.org

31 Source: euronuclear.org, wikipedia.org 核能發電的現況 (Apr. 2018) ~450 座反應器於 30 個國家運轉, 總裝置容量為 391 GW e, 佔世界總發電量約 11% ~60 座反應器於 15 個國家興建中,150~160 座反應器在規劃中 從 1951 年開始, 民用核反應器迄今已累積了 17,000 反應器年的運轉經驗, 其安全記錄是主要工業設施中最好的 嚴重核能事故 : Three Mile Island accident (1979) Deaths: 0; I-131 release: 17 Ci Chernobyl disaster (1986) Deaths: 56 direct, 4000 cancer; I-131 release: Ci Fukushima Daiichi disaster (2011) Deaths: 3*; I-131 release: ~10% of the Chernobyl accident non-radiation causes!

32 日本福島核能意外 檢討與改進 全球的核能使用國家均立即檢討核能電廠防震與防海嘯的設計基準, 確保緊急應變相關設備與程序的可靠, 以防止類似的事故再次發生 以台灣為例,

33 核能電廠設計的演進 Source:

34 Source: wikipedia.org, nasa.gov 全球能源與環境 能源需求與供給安全 氣候變遷與節能減碳 再生能源有其侷限性整體多元考量! 核能, 不能輕言放棄的選擇

35 各種能源優缺點 經濟部能源局

36 敬請指教 2005/03-CT

衞 衞 衞 规 The atomic number of an atom determines what element it is Atom is made up of proton neutron electron Hydrogen Carbon Uranium α β α γ γ α β Paper Plastic Lead α γ β γ Activity 1 0.9 0.8 0.7 0.6

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