Evaluation of radiation dose caused by bremsstrahlung photons generated by high-energy beta rays using the PHITS and GEANT4 simulation codes

PHITS及びGEANT4シミュレーションコードを使用した高エネルギー線により生成された制動放射光子による放射線量の評価

志風 義明 

Shikaze, Yoshiaki

福島第一原子力発電所事故により原子炉建屋内で放出された放射性核種のうち、SrやY等の高エネルギー線源は、壁、床、壁や内部構造などの建屋の物質中で制動放射光子を発生させる。したがって、原子炉建屋の作業員に対する制動放射の放射線量を評価することは、放射線防護にとって極めて重要である。制動放射線量の評価計算の精度を、粒子重イオン輸送コードシステム(PHITS)とGEometry AND Tracking(GEANT4)シミュレーションコードの結果を比較することにより調査した。計算では、様々な遮蔽板(鉛、銅、アルミニウム、ガラス、ポリエチレン、厚さは1.040mm)の背後にある水円筒を評価材料として設定し、制動放射光子による吸収線量及び付与エネルギースペクトルを得て、両シミュレーションコードの特性と差異を調査した。付与エネルギースペクトルの比較結果では、スペクトル形状には矛盾しない同様の傾向がある。数十keV以下のエネルギー範囲では、鉛遮蔽物質のPHITSのスペクトルにピークが見られる。制動放射光子を発生させるための遮蔽板の様々な条件下での吸収線量を比較すると、両コードのほとんどの結果は、2.280MeV線源については約10%差以内、0.5459MeV線源については20mm厚の鉛の場合の約30%を除いて約20%差以内で相関している。場合によっては差異はあるが、2つのシミュレーションコードの評価結果は上記の精度で良く相関していると結論付けられた。

Among the radioactive nuclides inside the nuclear reactor buildings emitted by the Fukushima Daiichi nuclear reactor accident, high-energy beta-ray sources, such as strontium-90 and yttrium-90, generate bremsstrahlung photons in the building materials, comprising the wall, floor, and interior structure. Therefore, evaluating the radiation dose of the bremsstrahlung to the workers in the nuclear reactor building is crucial for radiation protection. The precision of the evaluation calculation of the bremsstrahlung dose was investigated by comparing the Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) and the GEometry ANd Tracking (GEANT4) simulation code results. In the calculation, behind various shielding plates (lead, copper, aluminum, glass, and polyethylene, with thicknesses ranging from 1.0 to 40 mm), the water cylinder was set as the evaluated material, the absorbed dose and the deposited energy spectrum by the bremsstrahlung photons were obtained, and the characteristics and differences for both simulation codes were investigated. In the comparison results of the deposited energy spectrum, the spectral shapes have consistent trends. In the energy range below several tens of keV, a peak is seen in the PHITS spectrum for the lead shielding material. In comparing the absorbed dose under various conditions of the shielding plate for generating bremsstrahlung photons, most results for both codes correlate within an 10% difference for 2.280 MeV beta-ray sources and an 20% difference for 0.5459 MeV beta-ray sources, except for 30% for 20 mm thick lead. Although there were differences in some cases, the evaluation results of the two simulation codes were concluded to correlate well with the above precision.