108 高普考高考三級 輻射安全 考古題詳解

核心觀念

本題考查天然背景輻射的主要來源，以及臺灣環境輻射監測所使用的劑量率分級。劑量率以微西弗每小時表示，記為 $\mathrm{\mu Sv/h}$；它描述單位時間內的劑量，不是每年累積劑量。

解題方法

（一）天然輻射的最大來源及核種

天然輻射中，對一般人年有效劑量貢獻最大的來源是氡氣及其子核種。氡是鈾、釷衰變系列中的放射性惰性氣體，會由土壤、岩石逸散至空氣，並可能在室內累積；吸入氡及其子核種是重要的曝露途徑。

主要氡核種及來源如下：

• 氡-222（$^{222}\mathrm{Rn}$）：鈾-238（$^{238}\mathrm{U}$）衰變系列的產物。
• 氡-220（$^{220}\mathrm{Rn}$，又稱釷射氣）：釷-232（$^{232}\mathrm{Th}$）衰變系列的產物。
• 氡-219（$^{219}\mathrm{Rn}$，又稱錒射氣）：鈾-235（$^{235}\mathrm{U}$）衰變系列的產物。

作答時應抓住「氡及其子核種」是主要來源，並指出它們是鈾、釷衰變系列中的產物。

（二）一般背景輻射劑量率

臺灣環境輻射監測採用的分級中，一般背景輻射範圍為：

其中 $\dot{H}$ 表示劑量率。答題時要標明單位是 $\mathrm{\mu Sv/h}$，避免與年劑量 $\mathrm{mSv/yr}$ 混淆。

（三）加強偵測調查與輻射緊急偵測

依環境輻射監測的劑量率分級：

核心觀念

本題考查中子束通過薄靶時的反應率與碰撞機率。總截面 $\sigma$ 描述中子與單一原子核發生相互作用的有效面積；巨觀截面 $\Sigma=N\sigma$ 則表示單位路徑長度上的相互作用強度，其中 $N$ 為靶材原子數密度。

反應率可由「每秒入射中子數 × 每個入射中子的碰撞機率」求得。薄靶中子碰撞機率使用 $P\approx\Sigma x$，其中 $x$ 是中子在靶材內通過的厚度。

解題方法

先將總截面換算成平方公分：

巨觀截面為：

中子正向穿過靶材，路徑長度為靶材厚度 $x=0.04\ \mathrm{cm}$。因此，任一個入射中子與靶材發生碰撞的機率為：

核心觀念

本題把兩種能量中子的通量率，換算成同一位置的有效劑量率，再依《游離輻射防護安全標準》各情境的劑量限度，求出可停留時間。以命題當年（民國 108 年）法規為準；該標準第 7 條規定，輻射工作人員單一年內有效劑量不得超過 $50\ \mathrm{mSv}$。第 18 條規定，搶救生命時劑量儘可能不超過單一年劑量限度的十倍；其他緊急曝露則儘可能不超過二倍。

題目已給出兩種中子通量率各自對應的劑量率基準：每小時 $0.01\ \mathrm{mSv}$。因此，各能量中子的劑量率可按其通量率與基準通量率的比例計算，並將快中子與熱中子的劑量率相加。

解題方法

快中子與熱中子的有效劑量率分別為：

空間中沒有加馬射線，故總有效劑量率為：

停留時間以「可接受劑量 ÷ 劑量率」計算。

（一）職業曝露

依第 7 條，單一年有效劑量上限為 $50\ \mathrm{mSv}$：

核心觀念

本題考查輻射品質不同時造成生物效應的差異，以及輻射能量沉積於細胞的直接與非直接作用。相對生物效應（Relative Biological Effectiveness, RBE）用來比較不同種類輻射在特定生物效應下的相對效力。

RBE 定義為：在產生相同生物效應時，參考輻射所需劑量與待比較輻射所需劑量的比值：

若選用 X 射線或 $\gamma$ 射線作為參考輻射，RBE 大於 1 表示待比較輻射以較小劑量即可造成相同效應，生物效力較強。RBE 不是輻射種類固定不變的常數，會隨輻射能量、劑量、劑量率、受照組織及所觀察的生物效應而改變。

解題方法

作答可分三層：先以「等效應劑量比」定義 RBE；再說明能量直接沉積於重要細胞分子，或先經介質產生反應物而造成損傷；最後以線性能量轉移（LET）及電離密度解釋不同輻射的 RBE 差異。

(一) 何謂相對生物效應？（5 分）

相對生物效應是比較兩種輻射造成相同指定生物效應所需劑量的比值。若參考輻射需 $D_{\mathrm{ref}}$，待比較輻射需 $D_{\mathrm{test}}$，則：

比較時必須採用相同生物系統與相同效應終點，例如相同程度的細胞存活率或相同頻率的染色體損傷；未指定這些條件，單獨比較 RBE 數值並無完整意義。

(二) 直接效應、非直接效應及非直接效應較大的原因（15 分）

直接效應（Direct Effect）：輻射直接將能量沉積於 DNA 或其他重要生物分子，使其電離、激發或斷鍵，造成分子結構改變及細胞損傷。若損傷發生於 DNA，可能造成鹼基受損、單股或雙股斷裂，進而影響複製與細胞功能。

非直接效應（Indirect Effect）：輻射先與細胞內的水等介質作用，引發水分子游離與輻射化學反應，形成自由基及其他活性物種；這些物種再與 DNA、蛋白質等生物分子反應而造成損傷。

核心觀念

單能、單向伽馬射線穿過均勻屏蔽材料時，未碰撞通量率依指數衰減定律計算：

其中 $\Phi_0$ 是入射通量率，$\mu$ 是線性衰減係數，$\alpha$ 是屏蔽厚度。質量衰減係數須乘上材料密度，才能換算成線性衰減係數：

增建因數 $B_m$ 用來計入屏蔽內散射等效應；屏蔽後包含增建效應的通量率為 $B_m\Phi_{\mathrm{unc}}$。其中散射等增建所增加的部分則為 $(B_m-1)\Phi_{\mathrm{unc}}$。

解題方法

先以質量衰減係數乘鉛密度，求出 $\mu$：

因此：

(一) 外表面未碰撞通量率

代入指數衰減公式：

(二) 外表面增建通量率

題目給定的 $\mu\alpha$ 數值中，$3.87828$ 位於 $2$ 與 $4$ 之間，採線性內插：

核心觀念

本題考查用過核子燃料（spent nuclear fuel）的貯存方式，以及我國對用過核子燃料採行的分階段管理策略。題幹所述的直接問題是燃料池已接近滿載，無法接納反應爐爐心卸出的燃料；有效作法是將已在燃料池冷卻一段時間的用過燃料移出，轉入廠內乾式貯存設施，騰出燃料池容量。

法規與年代：以命題當年（民國 108 年）法規為準。​相關安全管制依《放射性物料管理法》及其相關子法辦理，乾式貯存設施須經安全審查及許可。用過核子燃料的處理、貯存與最終處置，亦須符合核子保防及輻射安全等相關規定。本題無須計算；現行法規或主管機關名稱如有後續調整，不影響本題依 108 年管理策略作答。

解題方法

先區分燃料池滿載的「近程容量問題」與用過燃料的「長期去處問題」，再依序說明各階段措施：

1. 近程：​維持用過燃料在廠內水池貯存，並妥善管理燃料池空間。
2. 中程：​燃料經水池冷卻、衰變熱降低後，移入廠內乾式貯存設施，釋放燃料池容量。
3. 長程：​推動用過核子燃料最終處置，作為永久管理方案。

因此，本題第一問的具體有效作法是推動核一、核二廠乾式貯存設施，將符合轉運條件的用過燃料由水池移出；第二問則說明「水池貯存、乾式貯存、最終處置」的近、中、長程策略。燃料池改作暫存池可作為廠內空間調度，但不取代乾式貯存及最終處置。

作答要點

一、解決燃料池滿載的具體作法