放射線と環境 放射線・放射性同位元素（ＲＩ）の利用 （理学・工学・農学・医学・他） 安全管理・リスクマネージメント 原子炉および周辺技術

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1 放射線と環境 放射線・放射性同位元素（ＲＩ）の利用 （理学・工学・農学・医学・他） 安全管理・リスクマネージメント 原子炉および周辺技術
鹿児島大学工学部機械工学科　中村祐三 放射線・放射性同位元素（ＲＩ）の利用 （理学・工学・農学・医学・他） 安全管理・リスクマネージメント 原子炉および周辺技術 イオン加速器および周辺技術 電子線利用技術 Ｘ線利用技術 トレーサー利用技術 使用者・取扱者 被爆者（患者） 事業所（大学・企業・他） 社会・環境

2 基盤技術 応用技術 周辺技術 研究 メリット 教育 デメリット アセスメント 法的規制 モニタリング 安全管理 情報 緊急事態管理 公開
個人・社会・環境への 即時的・持続的影響

3 ＪＣＯ臨界事故（1999年9月30日） JCO （茨城県東海村再転換工場）
3人の職員が、注濃縮（18.8％）の硝酸ウラニル約16kgをバケツで沈殿槽に入れたところ、臨界事故発生。 ２人死亡 被爆量　17Sv 10 Sv 　8SV

4 暮らしの中の放射線 自然放射線 年間 2.4 mSv （時間平均 0.27 mSv/h) 宇宙線 （0.36 mSv/y） 大地γ線
自然放射線　 年間　2.4 mSv （時間平均　0.27 mSv/h) 胸部ＣＴ（１回） 宇宙線 （0.36 mSv/y） 大地γ線 （0.41 mSv/y） 体内全部 (1.63 mSv/y) K-40 （0.18 mSv/y） ラドンなど （1.5 mSv/y） 国内の自然放射線（/年）、2.4 mSv/y 一般公衆の線量限度（/年、医療被曝を除く） 胃のＸ線集団検診（１回） 原子力緊急事態となるケース（1時間） 国内の自然放射線の差（県別） 東京・ＮＹ飛行機往復 胸のＸ線集団検診（/1回）、軽水炉周りの線量目標値（/年） 異常が発生し原子力事業者が通報しなければならないレベル（1時間） 0.001 0.01 0.1 1 10 線量　（mSv）

5 (天然ウランは、238Uが大部分であり、235Uの同位体存在比は0.7％）
核分裂生成物 （F.P.) 複合核 熱中性子 236U 235U 速中性子 γ線 速中性子 核分裂生成物 （F.P.) ニュートリノ

6 原子炉（熱中性子炉）の基本的概念 235U 臨界係数＝ 第一世代の核分裂に利用できる中性子数 第二世代の核分裂に利用できる中性子数 制御棒
吸収 吸収 235U 熱中性子 速中性子 核分裂 減速材 減速材 漏洩 エネルギー放出：～200 MeV ( 3 × J)

7 核燃料サイクル 転換工場 濃縮工場 精錬 UF6 ウラン鉱石 235U (0.7%) 軽水炉（3.4％） 増殖炉（20％） UF6
回収ウラン 再転換工場 再処理工場 高レベル 放射性廃棄物 回収 プルトニウム UO2 使用済燃料 原子炉 成型加工工場 低レベル 放射性廃棄物 燃料集合体

8 地球温暖化とCO2

9 地球温暖化と原子力発電

10 原子の構造 同位体（存在比） アルゴン Ar 原子番号Z = 18 原子核 核子 質量数 A = Z + N Z個の陽子（p)
　　　N個の中性子（n） Z個の軌道電子 同位体（存在比） アルゴン Ar 原子番号Z = 18

11 12Cの原子量を12.000000としたとき、 12C原子一個あたりの質量を12uとする。
原子質量単位（u もしくはamu） 12Cの原子量を としたとき、 12C原子一個あたりの質量を12uとする。 　　1 u = x kg ；質量 　　　　　= MeV = x J = 3.55 x cal　；エネルギー （E = mc2、ｍ；静止質量、c；光速より） 陽子の質量 = u 中性子の質量 = u 電子の質量 = u

12 質量欠損と原子核の結合エネルギー 原子 Z個の電子（質量me） Z個の陽子（質量Mp） N個の中性子（質量Mn） 予想される原子の質量
　M’ = Z(Mp + me) + NMn 実際の質量 M は予想される質量 M’’よりも小さい（質量欠損）。 　　　　　　　　　　　　↓ 結合エネルギー = DMc2 = (M’ – M)c2

13 核子一個あたりの結合エネルギー 多くの同位体について、核子あたりの結合エネルギーEb/A を調べると、質量数Ａの増加と共に増加して、Ａ～60近傍（鉄、ニッケル）で約8.8MeVの最大値をとり、その後徐々に減少している。このことは、Ａ～60程度の元素がもっともエネルギー的に安定な元素であることを示しており、実際に、地球の中心部が鉄やニッケルでできているように、天然に多く存在している。 （ただし、4Heのデータは抜けている）

14 天然の、あるいは人工的に作られた不安定な原子核
過剰なエネルギーを粒子あるいは電磁波（放射線） として放出して、壊変する（放射壊変） 放射能；核種が不安定で放射線を放出して改変する性質をいう　 放射性核種、放射性同位体；放射能を示す核種　　　　　　　　　　 （放射性同位元素、ラジオアイソトープ、あるいはＲＩともいう） 安定核種、安定同位体；放射能を示さない安定な核種　　　　　　 例）天然カリウムK（原子番号19）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 39K　存在度 ％　 安定　　　　　　　　　　　　　　　　　　 40K　存在度 ％　　放射性（β壊変あるいはEC壊変） 41K　存在度 ％　　安定　　　　　　　　　　　　　　　　　　

15 主な放射性核種と壊変、放射線 １ α壊変（α崩壊） （α粒子、α線） （１）238Uや232Thのように質量数が大きすぎ、不安定である核種。
主な放射性核種と壊変、放射線　１ （１）238Uや232Thのように質量数が大きすぎ、不安定である核種。 主に、4Heの原子核（α粒子）が放出されることが多い（α壊変）。 α壊変（α崩壊） （α粒子、α線） α壊変は、質量数A ≥ 140 （大部分は原子番号Z ≥ 92）の核種で起こる。 Z ≥ 90では、核分裂が起こることもある。

16 （２）安定核種に比べて中性子数（N）が過剰または不足のために不安定な核種。
主な放射性核種と壊変、放射線　2 （２）安定核種に比べて中性子数（N）が過剰または不足のために不安定な核種。 原子核の質量数は変わらず、中性子が陽子を放出（b-壊変）、陽子が陽電子を放出（b+壊変）、または陽子が電子を捕獲（EC壊変、あるいは電子捕獲）して変換し、安定核種に近づく。 β-崩壊：中性子が富む核種で起こる。 β+崩壊： Q>1.02MeVの中性子欠損核種で起こる。 n；中性子、p；陽子、e-；電子（b-)、e+；陽電子（b+）、 n；ニュートリノ、n；反ニュートリノ b壊変に伴って放出される電子をb-線、陽電子をb+線という。これらは総称して、b線と呼ばれる。

17 主な放射性核種と壊変、放射線 2（続き） EC壊変（電子捕獲）
主な放射性核種と壊変、放射線　2（続き） EC壊変（電子捕獲）　 中性子欠損核種で起こる。EC壊変は、軌道電子を核内にとりこむ過程であり、Ｋ殻電子で最も起こりやすい。EC壊変に引き続いて、電子殻ではK殻電子の捕獲によって生じた空孔を埋めるために、外側からのＸ線が落込み、その際の軌道電子のエネルギー準位の差に相当するエネルギーの特性Ｘ線が放出される。さらには、特性Ｘ線が外側の殻の軌道電子を叩き出す過程もある（オージェー電子）。

18 主な放射性核種と壊変、放射線　３ （３）核異性体のように、励起状態にある原子核は過剰のエネルギーを電磁波として放出し、より安定な状態に転移することが多い。これをg壊変といい、放出された電磁波をg線という。 γ壊変 核異性体転移（IT）　 60mCo → 60Co + g 内部転換（IC） 原子核の励起エネルギーが軌道電子に渡され、電子が放出される（内部転換電子）。低い励起エネルギー（≤ 0.2 MeV）で起こる。 内部転換が起こると、軌道電子殻に空位が生じるから、特性Ｘ線やオージェ電子の放出も起こる。

19 壊変図式１ 親核種 ↓ エネルギー準位またはＱ値） ↓ 0+ 138.4 d 壊変の種類 → 確率（エネルギー） a 5.408 MeV
　　　親核種 ↓　　 　　　　　　　 エネルギー準位またはＱ値） 　　　↓ d 壊変の種類　　　　→ 確率（エネルギー）　 　a 5.408 MeV 100% (5.305 MeV) 0+　 （安定） 　 ↑　　　↑ スピン パリティ　↑ 　　　　　　　　　娘核種 典型的なα壊変の壊変図式（下線は↑で差した数値、記号の説明である）．

20 壊変図式２ 1+ 14.26 d 2.602 y b+ 89.8% EC 10.1% b- (1.711) 100% 1.275 2+ b+ 0.05% 0+ 0+ b壊変、g壊変の壊変図式．

21 放射性核種の壊変と放射能 時刻 t における放射性核種の数N N = Noe-lt No；初期の放射性核種の数 壊変定数（崩壊定数）lと半減期Tとの関係 放射能の強さ （単位　Bq（ベクレル）　=　1 壊変/秒） 　　　　　　（1 Ci = 3.7 x 1010 Bq)

22 壊変定数（半減期）の測定 放射能強度の対数 log A 時間　t

23 2019/1/18 Ｘ線の生成

24 中性子の生成 核分裂反応 235U + n → X + Y + 2～3 n 核融合反応
D + T →　4He + n MeV D + D →　3He + n MeV D：重水素（デュートリウム）　2H T：三重水素（トリチウム）　3H

25 荷電粒子と物質を構成する原子との相互作用
電子的な相互作用 核的な相互作用 はじき出し 原子核 電子雲 電離・励起 運動エネルギーE 空気中におけるアルファ粒子の飛程 Ra = 0.32 E 3/2 Ra [ cm]、E [MeV]

26 ( 0.8 MeV < Emax < 3 MeV)
電子（β線）と物質を構成する原子との相互作用 電離･励起 軌道電子との相互作用 入射電子 原子核の電場との相互作用 制動放射 β線 電磁波 物質中での強度 m：吸収係数 最大飛程 Rb, max r = Emax g/cm2 ( 0.8 MeV < Emax < 3 MeV) ρ;密度

27 γ線（Ｘ線）と物質を構成する原子との相互作用
K L M 叩き出された電子 入射γ線 K L M 反跳電子 散乱γ線 入射γ線 電離 電離 光電効果 コンプトン散乱 K L M 電子 - 陽電子 入射γ線 電離 電子対生成

28 γ線（Ｘ線）の物質中の透過と吸収係数 m = mphoto （光電効果） + mCompt （コンプトン効果） + mpair
物質中におけるγ線の強度 m photo Compt pair 1 E = 1.02 MeV log(E/mec2) 光電 効果 吸収係数 吸収係数 m = mphoto 　　　（光電効果） + mCompt 　　　（コンプトン効果） + mpair 　　　（電子対生成） 電子対生成 コンプトン散乱 γ線のエネルギー

29 放射線と物質との相互作用、および放射線計測１
a線、b線、g線（Ｘ線）が物質中に入射すると、物質を構成する原子と相互作用して、原子を電離あるいは励起する。これらの電離・励起作用の結果、物理的・化学的・生物学的効果が生じる。 また、電離・励起作用を利用して、放射線の計測が可能である。 （１）　気体電離 放射線による物質の電離作用で、正に帯電するイオンと電子の対が形成される。空気のイオン対形成に要するエネルギーは35 eV程度であるから、4 MeVのa線によって～105個のイオン・電子対が形成される。この電荷の量は非常に小さいが、これを増幅することによって、放射線を計測することが可能である。

30 放射線と物質との相互作用、および放射線計測２
（２）　半導体との相互作用 シリコンSiやゲルマニウムGeのような半導体物質では、放射線との相互作用によりエネルギーを受け取った電子が原子の束縛を離れて、伝導電子帯にあげられ、また価電子帯には正の電荷を持つ正孔が生じる。これらの電子・正孔対は、電圧のかかった半導体中を運動し、電流として検出できる。 （３）　蛍光 放射線との相互作用により、原子は電子的に励起された状態になる。イオン性結晶や絶縁体では、原子の励起状態から安定である基底状態に遷移するときに、蛍光を発する。よって、その蛍光量を測定すれば、放射線の量を見積もることができる。

31 放射線と物質との相互作用、および放射線計測３
（４）　化学反応 放射線による原子の電離・励起は、化学反応をもたらす。例えば、写真乳剤の臭化銀AgClは、放射線の飛跡にそった電離作用により、Ag+イオンが還元され、銀として析出し黒化の写真現象が生じる。 （５）　熱的効果 放射線が物質中に入射して損失したエネルギーの一部は、物質の熱振動に使われ、温度があがる。このため、放射線照射によって付与された熱量を測定することで、放射線の量を見積もることができる。

32 放射線と物質との相互作用、および放射線計測４
(6)　中性子 中性子は電気的に中性であるため、荷電粒子やg線のように、電離・励起作用がない。このため、中性子の量の測定には、中性子と原子核との核反応で生じる荷電粒子を利用する。 例えば、熱中性子では、10B(n, a)7Liや6Li(n, a)3Hの核反応で生じるa粒子を利用して測定する。 速中性子では水素化合物をつかって中性子と水素の衝突で生じる反跳陽子を用いて、間接的に測定する。

33 電離箱

34 比例計数管領域

35 GM計数管 １回の電離によって増幅される信号パルスの大きさは108倍！

36 放射線と半導体の相互作用

37 2019/1/18 pn接合型半導体検出器の原理

38 半導体検出器の特質 （１）気体の電離を利用した電離箱、比例計数管、GM計数管では、気体のイオン対の形成に要するエネルギーが～35 eVであったのに対し、半導体の電子・正孔対の形成エネルギーはGeで3.0 eV、Siで3.5eVと小さい。 （２）また、g線のように電離能が小さい放射線では、密度の低い気体の電離を利用した検出器では、測定効率が小さいのに対し、固体の密度は大きく、従って阻止能も大きいので、感度よく測定できる。 （３）気体の電離を利用した測定器では、陽イオンの速度が遅いために、不感時間があったり、あるいは、分析に対して時間的な制約があったのに対し、固体内での電子・正孔の速度は早いので、分解能が著しく高い。 （４）半導体の温度が高くなると、伝導電子・正孔対の数が増え、計測に対する雑音が多くなる。従って、半導体検出器は、低温（通常液体窒素温度、77 K）で用いられる。

39 シンチレーションカウンター 放射線との相互作用により、あるいは光や電場によって、原子や分子が励起され、より安定な状態に戻るときに、そのエネルギー差に相当する光を放出する。これを蛍光、あるいはルミネッセンスという。光子の数を測定することにより、放射線の計測を行うことができる。 無機物である絶縁体のルミネッセンスは、一般に固体中に含まれる不純物の役割が大きい。例えば、アルカリハライド化合物中に含まれるタリウムイオンTl+が、励起されて基底状態に戻るときに、蛍光を発する。 アントラセンのような有機物の場合には、分子内の励起エネルギー準位から基底状態に戻る際に、ルミネッセンスが現れる。

40 各種シンチレータ（蛍光体）の性質 シンチレータ 最高放出波長 ［nm］ 減衰時間 ［ns］ 物理的収率* ［％］ b線に対する蛍光の相対強度
ZnS(Ag) 440 300 28(a), 14(g) NaI(Tl) 410 250 11.3 2.0 CsI(Tl) 550 750 11.9 LiI(Eu) 470 1300 2.8 BGO 505 0.3 2.1 CdWO4 520 1000 ナフタリン C10H8 345 60 0.25 アントラセン C6H4(CH)2C6H4 30 p,p’-ターフェニール 435 4 *物理的収率＝光子エネルギー/粒子エネルギー

41 シンチレーションカウンターの原理 一つのダイノードで増倍する電子の数を5個とすると、10段のダイノードがある場合、510 ≈ 107個の電子が形成される。

42 計測値の統計的な処理 Mを期待される壊変した核種の個数としたとき、m個の核種が壊変する確率 ポアソン分布 正規分布
（測定個数あるいは回数が多い時） 標準偏差

43 mA： 放射性物質とバックグラウンドの計数値 sA： 放射性物質とバックグラウンドの標準偏差 mB： バックグラウンドの計数値
計数率 計数率 計数率の標準偏差 誤差の伝播 mA：　放射性物質とバックグラウンドの計数値 sA：　放射性物質とバックグラウンドの標準偏差 mB：　バックグラウンドの計数値 sB：　バックグラウンドの標準偏差 正味の計数値　　　　mn = mA - mB 標準偏差　　　　 実効の計数値　　

44 多数回測定時の計数 n 回の測定を繰り返し、i 番目の計数を mi とすると、平均値は
であり、誤差の伝播の関係から、平均の標準偏差は以下になる。

45 線量に用いる単位１ 吸収線量 電離放射線により１ｋｇの物質中に１Ｊのエネルギーが付与されたとき、１Ｇｙ（グレイ）とする。
自由空気の空気カーマ（照射線量 ） 電離によって１ kｇの空気中に作られる家電粒子の運動エネルギーの合計。単位はGyを用いる。 1 Gy =2.97 x 10-2 C/kg 線量（線量当量） 放射線の種類、エネルギーにより物質（生体）に及ぼす影響が異なる。このため、各放射線に対する線質係数（Ｘ、γ線；1、エネルギー不明の中性子；10、エネルギー不明のアルファ粒子；20等）を掛けて、等価な線量とみなす。

46 線量に用いる単位２ 実効線量（実効線量当量）
発癌、遺伝的欠陥等が発生する頻度は放射線の線量を関数とする確率で表される。実効線量当量は、この確率的影響を容認できるレベルに制限するために導入された線量であり、Ｓｖ（シーベルト）の単位で表される。 等価線量（組織線量当量） 放射線照射の量によって障害の重傷度が変わり、しきい値がありうるような非確率的影響（皮膚の赤斑、白内障など）を防止するために導入された線量である。単位は、Ｓｖ（シーベルト）である。

47 規則第１条第１１号に規定する放射線業務従事者の各組織の一定期間内における線量限度は、次のとおりとする。
第５条（実効線量限度） 　規則第１条第１１号に規定する放射線業務従事者の各組織の一定期間内における線量限度は、次のとおりとする。 （１） 平成１３年４月１日以後５年ごとに区分した各期間につき１００ミリシーベルト （２） ４月１日を始期とする１年間につき５０ミリシーベルト （３） 女子（妊娠不能と診断された者、妊娠の意思のない旨を使用者、販売業者、賃貸業者又は廃棄業者に書面で申し出た者及び次号に規定する者を除く。）については、前２号に規定するほか、４月１日、７月１日、１０月１日及び１月１日を始期とする各三月間につき５ミリシーベルト （４） 妊娠中である女子については、第１号及び第２号に規定するほか、本人の申し出等により使用者、販売業者、賃貸業者又は廃棄業者が妊娠の事実を知ったときから出産までの間につき、人体内部に摂取した放射性同位元素からの放射線に被ばくすること（以下「内部被ばく」という。）について１ミリシーベルト

48 規則第１条第１１号に規定する放射線業務従事者の各組織の一定期間内における線量限度は、次のとおりとする。
第６条（等価線量限度） 　規則第１条第１１号に規定する放射線業務従事者の各組織の一定期間内における線量限度は、次のとおりとする。 （１） 眼の水晶体については、４月１日を始期とする１年間につき１５０ミリシーベルト （２） 皮膚については、４月１日を始期とする１年間につき５００ミリシーベルト （３） 妊娠中である女子の腹部表面については、前条第４号に規定する期間につき２ミリシーベルト

49 放射線の生体に与える影響１ 放射線障害の過程
物理的過程：放射線が生体に照射されると、細胞内分子に電離あるいは励起の形でエネルギーが吸収される。 2)　化学変化：電離あるいは励起された分子が生体構成物質の化学変化を引き起こす。 3)　初期障害：細胞構成物質の重要な分子（DNA、RNA、蛋白質等）の化学変化が起こる。 4)　拡大過程：初期障害が細胞内の物質代謝によって拡大され、検出可能な生化学的障害となる。 5)　最終効果：初期障害が拡大されると最終的に細胞死が起こる。さらに個体の死にも導く。

50 放射線の生体に与える影響２ 直接作用と間接作用 1 直接作用
1　直接作用 放射線が重要分子（DNAなど）に命中して、これらの分子を直接電離（励起）するために障害が生じる。 2　間接作用 放射線が水分子に作用して、反応性の高いラジカル（遊離基；H*、OH*など）や分子（H2O2）が形成され、これらが重要分子と反応して障害が生じる。

51 放射線の生体に与える影響３ 放射線障害の感受性 細胞の増殖能力が大きいほど感受性が高く、分化の進んだ細胞ほど感受性が低い。
　胎児、小児：高感受性 成体 　　高感受性：生殖腺、骨髄、胸腺リンパ組織、ひ臓 　　中程度の感受性：皮膚、腸上皮、眼 　　低感受性：筋肉、結合組織、中枢神経、脂肪組織

52 放射線の生体に与える影響４ 放射線被爆による障害 急性障害 低照射量レベル；細胞再生系の減少 血球数の変化（0.20 Sv以上） 骨髄死
　　　　低照射量レベル；細胞再生系の減少 　　　　　　血球数の変化（0.20 Sv以上） 　　　　　　骨髄死 　　　　　　腸障害（腸死　10 Sv以上） 　　　　高照射量レベル； 　　　　　　中枢神経障害による死（100 Sv） 慢性放射線障害、晩発性障害 　　　悪性新生物（癌、白血病）誘導、免疫力低下 　　　放射線白内障、 遺伝性異常の誘発、寿命の短縮等

53 ＪＣＯ臨界事故（1999年9月30日） JCO （茨城県東海村再転換工場）
3人の職員が、注濃縮（18.8％）の硝酸ウラニル約16kgをバケツで沈殿槽に入れたところ、臨界事故発生。 ２人死亡 被爆量　17Sv 10 Sv 　8Sｖ