109 高普考高考三級 輻射安全 考古題詳解

核心觀念

本題評量考生對「氣態放射性廢棄物（Gaseous Radioactive Waste）之分類特性、產生機制與工程管制處理程序」的整合掌握能力。核心法規與學理基礎包含：

1. 處理核心原則：氣態放射性廢棄物之處理依據「濃縮並包容（Concentrate and Contain）」、「稀釋並擴散（Dilute and Disperse）」與「延遲並衰變（Delay and Decay）」三大哲理，實務上採取「過濾吸附」、「滯留衰變」與「受控監測排放」。
2. 法規遵循標準（以命題當年民國 109 年法規為準）：

• 《放射性廢棄物管理法》對於放射性廢棄物產生者之減量與處理義務。
• 《游離輻射防護安全標準》第 13 條、第 14 條針對放射性物質排放於大氣中之活度濃度限值與劑量拘限（對廠界外一般民眾造成的個人有效劑量不得超過法定限值）。

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解題方法

本題屬「總分結構」之申論題，作答時切入架構應涵蓋：

1. 通則說明：先宏觀歸納氣態放射性廢棄物處理之四大共通工程手段（密閉負壓、過濾吸附、滯留衰變、受控監測排放）。
2. 情境一（套手工作箱 Glovebox）：

• 氣體型態：聚焦於放射化學操作、核子醫學製藥或核燃料粉末操作引發之「放射性微粒／氣膠（Aerosols）」、「揮發性氣體／蒸氣（如 $^{131}\text{I}$ 蒸氣、氚化水蒸氣 $\text{HTO}$）」。
• 處理機制：負壓動態控制、多級濾網（預過濾器＋HEPA 高效微粒濾網＋特殊浸漬活性碳吸附器）。

3. 情境二（粒子迴旋加速器 Cyclotron）：

• 氣體型態：聚焦於高能粒子撞擊靶材或空氣引發之「短半衰期正子同位素（如 $^{11}\text{C}, ^{13}\text{N}, ^{15}\text{O}, ^{18}\text{F}$）」、「靶室空氣中子活化氣體（如 $^{41}\text{Ar}$）」與「非放射性有毒副產氣體（如 $\text{O}_3, \text{NO}_x$）」。
• 處理機制：滯留槽／延遲管路衰變（Hold-up / Decay Tank）、氣流聯鎖閉路循環、線上排氣連續監測（CAM）與高空煙囪稀釋排放。

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申論架構與解析（各情境深入剖析）

1. 套手工作箱（Glovebox）伴隨產生氣體

• 氣體型態特徵：
• 固態懸浮微粒與氣膠：在研磨、分裝、粉末處理（如 Pu、U 等超鈾元素或 $\alpha$、$\beta$ 射源）時產生的放射性氣膠。
• 揮發性蒸氣／氣體：放射化學合成與標幟過程中釋出，例如放射性碘標幟釋出之分子態碘（$\text{I}_2$）及甲基碘（$\text{CH}_3\text{I}$）；放射性同位素水溶液操作蒸發之氚水蒸氣（$\text{HTO}$）。
• 處理防護關鍵：箱內必須維持相對於周圍實驗室之「負壓」（通常維持在 $-125\text{ Pa}$ 至 $-250\text{ Pa}$ 之間），確保箱體即便破損手套穿孔亦為向內進氣。排氣端依序裝設前置濾網（攔截粗顆粒）、HEPA 濾網（對 $0.3\ \mu\text{m}$ 微粒攔截效率 $\ge 99.97\%$）及浸漬 TEDA 或 KI 之活性碳濾心（化學吸附有機碘與無機碘蒸氣）。

2. 粒子迴旋加速器（Cyclotron）伴隨產生氣體

• 氣體型態特徵：
• 醫用正子短半衰期同位素：核醫產製過程中靶材排氣或洩漏之氣態放射性產物，如 $^{15}\text{O}$（$T_{1/2} \approx 2\text{ min}$）、$^{13}\text{N}$（$T_{1/2} \approx 10\text{ min}$）、$^{11}\text{C}$（以 $^{11}\text{CO}_2$ 形式，$T_{1/2} \approx 20.4\text{ min}$）、揮發性 $^{18}\text{F}$ 化合物（$T_{1/2} \approx 110\text{ min}$）。
• 靶室空氣中子活化氣體：次級中子與靶室空氣反應產生之 $^{40}\text{Ar}(n,\gamma)^{41}\text{Ar}$（$T_{1/2} \approx 1.83\text{ hr}$）。
• 強輻射化學分解氣體：高能束流游離空氣產生之強氧化性毒性氣體（臭氧 $\text{O}_3$、氮氧化物 $\text{NO}_x$）。
• 處理防護關鍵：由於迴旋加速器產生之氣態放射性同位素半衰期極短（數分鐘至數小時），工程處理首選「滯留衰變法」。將產物導入密封衰變槽（Decay Tank）或延遲蛇管（Delay Line），靜置衰變 10 個半衰期以上（放射性活度衰減為原始值的 $2^{-10} \approx 0.1\%$ 以下），再搭配排氣連續輻射偵檢器確認活度濃度低於法規標準後高空稀釋排放。

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解題技巧

1. 型態與半衰期決定處理手段：

• 看到「長半衰期微粒、揮發性化學物質」 $\rightarrow$ 答「過濾（HEPA）、吸附（活性碳）、化學轉換（分子篩）」。

核心觀念

本題旨在評量考生對「天然背景輻射分類」以及「放射性物質在環境介質中的遷移與人員曝露途徑（Environmental Transport & Exposure Pathways）」之通盤理解。

1. 天然輻射來源分類：依據聯合國原子輻射效應科學委員會（UNSCEAR）及國際放射防護委員會（ICRP）定義，天然游離輻射主要源於：

• 宇宙輻射（Cosmic Radiation）：初級宇宙射線、次級宇宙射線及宇宙射線引發核種（Cosmogenic radionuclides，如 $^{14}\text{C}$、$^{3}\text{H}$、$^{7}\text{Be}$、$^{22}\text{Na}$）。
• 地表／陸生輻射（Terrestrial Radiation）：地球形成時即存在的原生放射性核種（Primordial radionuclides），包含三大天然衰變系列（鈾系 $^{238}\text{U}$、釷系 $^{232}\text{Th}$、錒系 $^{235}\text{U}$）以及非系列原生核種（如 $^{40}\text{K}$、$^{87}\text{Rb}$）。
• 體內輻射（Internal Radiation）：經由飲食、呼吸進入並沉積於人體組織之天然核種（如體內的 $^{40}\text{K}$、$^{14}\text{C}$，以及氡氣 $^{222}\text{Rn}$、釷氡氣 $^{220}\text{Rn}$ 及其子核種）。

2. 環境曝露途徑模型：放射性物質進入環境受體（土壤、地表水、地下水）後，與人員產生劑量交換的機制，可依曝露幾何與生物吸收方式劃分為：

• 體外曝露（External Exposure）：射源位於人體外部，由貫穿輻射（主要是 $\gamma$ 射線與高能 $\beta$ 射線）造成照射。
• 體內曝露（Internal Exposure）：射源經由生物途徑（吸入、食入、傷口吸收）進入體內，發射 $\alpha$、$\beta$ 或 $\gamma$ 輻射持續照射靶器官。

3. 法規基準：以命題當年（民國 109 年）《游離輻射防護法》及《游離輻射防護安全標準》之管制架構為準，天然放射性物質（Naturally Occurring Radioactive Material, NORM）因人類活動導致濃度顯著增加時，受法規衍生之特定標準管制。

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解題方法

本題為兩段式問答題，答題策略應採「由巨觀至微觀、由外而內、系統化層次展開」：

1. 第一部分（天然輻射來源）：採「空間起源法」劃分三大範疇——天上（宇宙輻射）、地下（原生陸生輻射與衰變系列）、人體內（體內天然核種與氡氣產物），並具體列舉代表性核種與半衰期概念，展現專業深度。
2. 第二部分（土壤與水體中 NORM 之人員曝露途徑）：採「環境多介質遷移 $\to$ 曝露模式（體外 vs. 體內） $\to$ 接觸機制」展開矩陣式論述：

• 先區分「體外曝露」與「體內曝露」兩大軸心。
• 針對「土壤」、「地表水」、「地下水」三種介質，逐一對應至：地表照射、浸游照射、沉積物照射、飲水攝入、食物鏈生物累積轉移（農作物、畜禽、水產）、地表揚塵吸入、氡氣擴散釋出吸入及生活用水氣膠吸入。

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選項分析（申論題重點要素剖析）

本題為申論問答題，評分標準取決於關鍵傳輸途徑是否完整周延。常考要素剖析如下：

• 要素一：天然輻射來源的涵蓋性
• 正確回答必須明確涵蓋「宇宙射線」、「陸生原生核種」與「體內放射性」，並點出貢獻全人類天然有效劑量比例最高者為「氡氣及其子核」。若僅回答「地殼裡的鈾和釷」，將失落一半以上分數。
• 要素二：體外曝露途徑的完整性
• 不可僅寫「站在地上被照」。需完整說明：土壤表層地表照射（Ground shine）、水體活動浸游照射（Water immersion）、水岸／河床沉積物照射（Sediment shine）。
• 要素三：體內曝露途徑的立體多維性
• 「食入」途徑不可僅回答「喝水」。水與土壤中的放射性核種會被農作物根系吸收（Plant uptake），再經由草食動物轉移至肉品與乳品（Livestock transfer），或在水生生態系中生物累積（Aquatic bioaccumulation），形成多階段食物鏈傳遞。
• 「吸入」途徑包含乾旱土壤揚塵的再懸浮（Resuspension）吸入，以及地下水／土壤所含鐳（$^{226}\text{Ra}$）衰變產生的氡氣（$^{222}\text{Rn}$）擴散逸出與居家淋浴水霧釋出的吸入。

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解題技巧

1. 破題口訣：

• 來源篇：「天（宇宙）、地（原生系列）、人（體內平衡）、氣（氡及其子核）」。
• 途徑篇：「外曝看地表、水體、泥沙；內曝分吃（水、菜、肉、魚）、吸（揚塵、氡氣、水霧）」。

2. 架構呈現技巧：

• 閱卷老師最忌諱整段文字未分點鋪陳。第二問務必以「一、體外曝露途徑」、「二、體內曝露途徑」作為大標，內嵌以條列式標註（1）地表照射、（2）飲用與灌溉、（3）食物鏈轉移、（4）氣體擴散與懸浮等，層次分明。

3. 常見失分陷阱：

• 混淆「人工輻射」與「天然輻射」，誤將核廢料、醫療射源寫入。
• 忽略「氡氣逸出機制」：地下水抽出使用時（如淋浴、清洗），溶解的氡氣會劇烈去氣逸散至室內空氣，是重要的吸入途徑，寫出此點能顯著拉開與一般考生的差距。

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【答案】

一、天然放射性輻射之主要來源

天然游離輻射依其起源可分為三大類：

1. 宇宙輻射（Cosmic Radiation）

• 初級與次級宇宙射線：來自外太空與太陽的高能帶電粒子（質子、$\alpha$ 粒子等），進入大氣層後與空氣原子核產生核反應，生成次級宇宙射線（包含 $\mu$ 介子、中子、電子、光子等），地表人員所受劑量隨海拔高度與緯度增加而增高。

核心觀念

本題以命題當年（民國 109 年）之《游離輻射防護安全標準》（依《游離輻射防護法》第五條授權訂定）為準。考點涵蓋兩大面向：

1. 法規劑量限值：輻射工作人員（職業曝露）與一般人（公眾曝露）之「有效劑量」及眼球水晶體、皮膚、四肢等「組織等價劑量」的法規上限，以及懷孕女性工作人員的特別保護規定。
2. 職業曝露管制實務：落實國際放射防護委員會（ICRP）防護體系（正當化、最適化/ALARA、劑量限值）之具體工程與行政管理手段，涵蓋外曝防護三要素、作業場所分區、個人與環境監測、工作許可制度及廢棄物排放監測。

註：以命題當年（民國 109 年）法規為準，原主管機關為行政院原子能委員會（現行法組織已改制為核子安全委員會）。此外，眼球水晶體之等價劑量限值，命題當年法規工作人員為每年 $150\text{ mSv}$，現行國際規範（ICRP 118）與部分法規修訂趨勢建議調降為五年平均每年 $20\text{ mSv}$，但考題作答仍應以命題當時法定基準為主。

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解題方法

本題為標準的「法規標準＋防護實務」申論題，作答採「條理表列、層次開展」之切入架構：

1. 第一部分（劑量限值）：採用「分類對照法」，將工作人員與一般人分別列出「有效劑量」與各主要器官「等價劑量」，並補充懷孕工作人員之特別限制，以展現法規記憶的完整度。
2. 第二部分（管制實行方法）：從「源頭設計與工程控制」、「作業環境與程序管制」、「監測與評估制度」及「行政與安全文化」四大層次具體說明職業曝露情境中保護工作人員與周界公眾的執行機制。

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選項分析

本題為高普考申論題（非選擇題），無選項可逐一分析。評分核心指標與考生常見失分盲點剖析如下：

• 有效劑量 vs. 等價劑量：許多考生僅背誦有效劑量（如 $20\text{ mSv/y}$ 或 $1\text{ mSv/y}$），遺漏眼球水晶體、皮膚及四肢之等價劑量，導致第一小題配分嚴重失血。
• 職業情境下公眾劑量之管制：題目要求「就職業曝露的情境說明實際執行的方法，以管制工作人員『或一般人』的劑量」。部分考生僅寫工作人員的鉛衣與劑量佩章，漏答設施周界防護、連鎖裝置與外釋廢水/廢氣監測等對「一般人」的管制，造成答題不全面。

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解題技巧

1. 數字十倍法則記憶：

• 一般人的等價劑量限值多為職業工作人員的 $\frac{1}{10}$：
• 水晶體：職業 $150\text{ mSv/y}$ $\rightarrow$ 一般人 $15\text{ mSv/y}$。
• 皮膚：職業 $500\text{ mSv/y}$ $\rightarrow$ 一般人 $50\text{ mSv/y}$。

2. 關鍵字帶出法：

• 劑量限值：五年週期、連續五年 $100\text{ mSv}$、單一年 $50\text{ mSv}$、一般人 $1\text{ mSv}$。
• 實務執行：時間、距離、屏蔽（外防三要素）、管制區與監測區、TLD/OSL 劑量計、輻射工作許可（RWP）。

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【答案】

一、臺灣游離輻射防護安全標準之劑量限值（以民國 109 年法規為準）

依據《游離輻射防護安全標準》規定，劑量限值不包含天然背景輻射及醫療曝露，其具體規範如下：

1. 輻射工作人員（職業曝露）

• 有效劑量：每連續五年週期內不得超過 $100\text{ mSv}$（百毫西弗），且任何單一年內不得超過 $50\text{ mSv}$（五十毫西弗）。
• 器官或組織等價劑量：

1. 眼球水晶體：一年內不得超過 $150\text{ mSv}$。
2. 皮膚：一年內不得超過 $500\text{ mSv}$（於受照最大 $1\text{ cm}^2$ 面積之平均）。
3. 四肢（手、足）：一年內不得超過 $500\text{ mSv}$。

• 懷孕女性工作人員之特別限制：

核心觀念

本題評量核反應器複合輻射場的微觀作用物理與巨觀工程屏蔽設計，涵蓋以下核心要點：

1. 反應器輻射場構成與粒子交互作用：核裂變伴隨快中子、分裂加馬、分裂產物（帶電粒子與延遲輻射）。中子作用涵蓋彈性散射、非彈性散射、輻射捕獲與核反應；光子作用涵蓋光電效應、康普吞散射與成對發生；高能 $\beta$ 射線則有制動輻射。
2. 多重複合屏蔽設計準則：中子屏蔽三部曲（重元素非彈性散射減速 $\to$ 輕元素彈性散射熱化 $\to$ 吸收截面大的核種吸收）與高 $Z$ 材料加馬屏蔽。
3. 二次輻射與材料負載效應：熱中子捕獲伴隨之次級捕獲加馬（Capture $\gamma$）、中子活化問題、核熱沉積（Nuclear Heating）對材料結構之衝擊。
4. 屏蔽計算模型：加馬射線寬射束衰減公式（含增建因數 $B$）、快中子有效移位理論（Removal Cross-Section Theory）以及中子－光子耦合蒙地卡羅數值模擬（Monte Carlo Method）。

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解題方法

本題屬標準申論題，作答應採「先微觀機轉、後巨觀工程實務」之架構，嚴謹分項陳述：

1. 第一小題：將輻射依「中子」、「光子（$\gamma$）」、「帶電粒子（$\alpha, \beta$、分裂碎片）」分類，對應各自主導的微觀物理作用機制，明確交代能量依賴性。
2. 第二小題：按題目指定的三大面向分段：

• 選用屏蔽物質：從「快中子減速 $\to$ 熱中子捕獲 $\to$ 加馬屏蔽」之物理邏輯推導複合材料配置。
• 輻射與屏蔽材料之作用：除了粒子本身的能量衰減外，特別點出伴隨之「負面工程效應」（次級捕獲加馬產生、核熱沉積、中子活化與輻射脆化）。
• 計算方法：列出光子點源寬射束衰減公式、中子移位截面公式，並補充現代數值模擬傳輸方法（$S_N$ 傳輸理論與蒙地卡羅法）。

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解題技巧

1. 中子屏蔽記憶口訣：「慢、抓、擋」。

• 慢（減速）：用重金屬非彈性散射初降速，再以低質量數含氫材料（水、聚乙烯）藉由彈性散射將中子熱化。
• 抓（捕獲）：用高熱中子截面材料（$^{10}\text{B}$ 或 $^{6}\text{Li}$）捕獲中子。
• 擋（蔽光）：用高 $Z$、高密度材料（鉛、鐵、重混凝土）阻擋捕獲中子後衍生的次級加馬射線。

2. 答題陷阱提醒：

• 屏蔽光子計算切忌只寫窄射束衰減 $e^{-\mu x}$，反應器厚屏蔽必屬寬射束幾何，務必納入增建因數（Buildup Factor, $B$）。
• 熱中子吸收材料優先考慮硼（$^{10}\text{B}$）而非鐵或鎘，因為鐵的捕獲加馬能量高達 $7 \sim 9\text{ MeV}$，會大幅增加後續屏蔽負擔。

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【答案】

(一) 反應器輻射場之輻射種類與物質相互作用機制

反應器運轉期間，其核心及周邊輻射場主要包含下列輻射與粒子：

1. 中子（Neutrons）

依能量主要分為快中子（分裂初生，平均能量約 $2\text{ MeV}$）、中能中子（降速中）與熱中子（能量約 $0.025\text{ eV}$）。其與原子核之作用機制為：

• 彈性散射（Elastic Scattering, $(n, n)$）：中子與原子核碰撞後能量重新分配，總動能守恆。以低原子序（特別是氫 $^{1}\text{H}$）之能量轉移效率最高，為快中子熱化（減速）的主導機制。
• 非彈性散射（Inelastic Scattering, $(n, n')$）：高能快中子（通常需 $> 1\text{ MeV}$）與中、重原子核（如鐵 $^{56}\text{Fe}$）碰撞，使原子核進入激發態，碰撞後中子失去大量能量，原子核隨後釋放去激加馬射線（De-excitation $\gamma$）。
• 輻射捕獲（Radiative Capture, $(n, \gamma)$）：中子（特別是熱中子）被原子核吸收，形成複合核並釋放結合能（約 $6 \sim 8\text{ MeV}$），放出具高度穿透力的次級捕獲加馬射線（Capture $\gamma$）。
• 帶電粒子放出核反應（Charge-particle Reactions, $(n, \alpha)$ 或 $(n, p)$）：熱中子與特定核種作用（如 $^{10}\text{B}(n, \alpha)^{7}\text{Li}$），產生的 $\alpha$ 粒子射程極短，易於局部吸收且不伴隨高能穿透光子。
• 核分裂（Fission, $(n, f)$）：熱中子或快中子誘發易裂核種（如 $^{235}\text{U}$）分裂，釋放出分裂碎片、次發中子及即發加馬光子。

2. 加馬射線（Gamma-rays, $\gamma$）

包含即發加馬（Prompt $\gamma$）、分裂產物衰變延遲加馬（Delayed $\gamma$）、冷卻水活化產物衰變加馬（如 $^{16}\text{N}$）及中子捕獲加馬（Capture $\gamma$）。其與軌道電子或核庫侖場之作用機制為：

• 光電效應（Photoelectric Effect）：入射低能光子與原子內層電子作用，光子能量完全被電子吸收並游離出光電子。作用截面在低能區、高原子序（$Z$）物質中占優勢，約正比於 $Z^4 / E^{3.5}$。
• 康普吞散射（Compton Scattering）：中等能量光子（約 $0.5 \sim 5\text{ MeV}$）與軌道電子發生非彈性碰撞，光子損失部分能量並改變方向，產生反衝電子。其截面主要取決於材料之電子密度（與 $Z/A$ 正比）。
• 成對發生（Pair Production）：光子能量超過閾值 $1.022\text{ MeV}$ 時，在原子核庫侖場中轉化為一正電子與一電子對。其截面在高能區顯著，且約與 $Z^2$ 成正比。