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방사성물질
방사성물질(放射性物質, Radioactive material)은 방사선을 낼 수 있는 능력을 가진 물질을 말한다.
원자 또는 원자핵의 에너지 준위가 불안정한 상태에서 방사선을 방출하는 핵종을 '방사성핵종' 또는 '방사성동위원소'라고 무르며 이를 일정한 비율 이상으로 함유하고 있는 물질을 '방사성물질'이라 한다. 즉, 자연계에 존재하는 원자번호가 큰 우라늄, 라듐 등 40여종의 원소는 원자핵이 붕괴하면서 방사선(radiation)을 방출하며, 이러한 성질을 갖는 원소를 방사성물질이라 한다.
목차
개요
방사성물질이란 그 안에 불안정한 핵이 있어서 이것들이 붕괴하며 에너지가 높은 입자나 전자기파를 방출하는 물질을 말한다. 여기에서 나오는 입자나 전자기파는 에너지가 높아 생명체의 세포를 파괴하거나 유전자 변형을 일으킬 수 있고 물질의 구조를 파괴할 수도 있다. 따라서 방사성물질을 담고 있는 용기나 보관하고 있는 장소에는 그림과 같은 표식을 하여 모든 사람에게 알리고 주의를 주어야 한다.
방사능(radioactivity)은 자연상태에 계속 존재하고 있었고 지구 밖에서도 지속적으로 방사선(radioactive ray)이 들어오고 있다. 이러한 천연방사선이 돌연변이를 만들어 생명체의 진화에 상당한 수준으로 기여를 했을 것이라고 과학자들은 생각하고 있다. 하지만 현대에 이르러 과학과 기술이 발전함에 따라 방사성물질이 사용되는 곳이 많아졌고 이들의 유용성과 함께 환경이나 생명체에 대한 위험도 또한 높아졌다.
대표적인 방사성물질은 원자력발전소(nuclear power plant)에서 사용하는 핵연료(nuclear fuel)와 원자로와 발전기를 작동하는 데 사용한 장비와 사용 후 연료와 같은 핵폐기물(nuclear waste)이다. 핵연료에 들어 있는 우라늄-238이나 우라늄-235는 자연적으로는 알파붕괴를 하며 각각 반감기가 45억 년과 7억 년이므로 알파선이 나오지만 다량으로 장기간 노출되지 않는 한 크게 위험하지는 않다. 원자력 발전에 사용하는 에너지는 우라늄-235에 중성자가 흡수되어 핵분열(nuclear fission)을 할 때 방출되는 것이다.
하지만 사용 후 연료에 들어 있는 대부분의 분열 생성물이나 변환된 핵은 강한 방사선을 내고 반감기가 수억 년이 되는 것들도 있어서 이들의 안전한 보관이 큰 문제점이 된다. 예를 들어, 핵연료에 들어 있던 우라늄-238이 중성자를 흡수하면 분열을 하는 것이 아니라 베타붕괴를 두 번 하여 플루토늄-239로 변환되는데 이것의 산화물이 먼지 형태로 공기중에 있다가 사람들이 호흡할 때 허파에 들어가면 암을 유발할 수 있는 극도로 위험한 물질이다. 발전소를 운영하기 위해 사람들이 사용하는 모든 물품 역시 중성자등에 노출되어 방사성 물질이 될 수 있다. 우리나라에서는 경주에 중저준위 방사성 폐기물 처리장을 건설하여 2014년 12월부터 원자력발전소에서 나오는 폐기물을 처리하고 있다. 하지만 사용후 연료의 처리에 대해서는 원자력발전소 옆에 보관하고 있는 데 거의 포화상태이다.
생성 및 특징
원자로에서는 핵분열이 일어나거나 중성자가 원자에 들어가 만들어지며 알파선, 베타선, 감마선을 방출한다. 이는 산업용, 의료용으로 사용된다. 병원에서는 사이클로트론으로 양성자를 가속시켜 원자에 양성자를 넣어 만드는데, 짧은 반감기의 양전자를 방출하는 의료용 방사성동위원소가 만들어진다.
알파선을 방출하는 방사성동위원소는 매우 드물며 담배에 극미량이 들어 있다. 공기 중에 노출되었을 때에는 종이 한 장을 투과할 수 없으나 많은 양이 체내에 들어오면 주변세포를 죽일 수 있다. 베타선은 알루미늄 포일을 뚫을 수 없으나, 체내에 들어오면 주변 세포 수백 개를 죽일 수 있어 치료제로 사용된다. 감마선은 두꺼운 콘크리트 정도가 되어야 막을 수 있을 정도로 강한 투과력을 가지고 있어 체내에 들어오면 신체를 투과하므로 영상진단용으로 사용한다. 적은 용량에서는 대부분 투과하므로 인체에 영향을 주지 않으나, 양이 많으면 세포 및 조직에 손상을 일으키기도 한다.
자연계에 존재하는 방사성물질의 종류
우라늄
자연에 존재하는 우라늄은 234U, 235U 및 238U의 방사성핵종의 혼합물이며, 모두 α선 및 γ선을 방출하면서 붕괴된다. 우라늄은 지표수와 지하수에서 검출되지만 보통 지하수에서 농도가 높으며, 화강암, 변성암, 갈탄, 몬조나이트, 인산염광산에 존재한다.
우라늄의 섭취량은 먹는물로 3.7㎍/day, 음식물로 1.1㎍/day이며, 섭취된 우라늄은 뼈에 22%, 신장에 12%, 다른 조직(tissue)에 12% 축적되고, 나머지는 배출된다.
우라늄의 독성은 방사성 독성과 중금속으로서의 화학적 독성으로 구분되며, 방사성 독성은 자연 우라늄 중의 동위원소 238U 및 234U를 함께 고려하여야 한다. 우라늄의 인체에 가장 큰 위해는 신장독성이다. 반감기는 45억년(238U)
라돈
자연계에 널리 존재하는 방사성 가스로, 238U 계열의 α붕괴과정에서 226Ra이 생성되고, 재차붕괴하여 222Rn(라돈)이 생성된다. 라돈은 대수층의 화강암 지역에 존재하며 이지역의 지하수에서 검출된다.
인체 노출경로는 물중의 라돈이 공기로 방출되어 호흡기로 흡입되거나 음용수 섭취시 소화기관을 통해 흡수된다. 라돈은 폐암, 위암을 유발하는 것으로 보고하고 있다. 반감기는 3.82일
라듐
우라늄과 토륨의 붕괴과정에서 생성되며, 228Ra, 226Ra, 224Ra, 223Ra 등 4 종류의 동위원소가 있다. 226Ra 및 238U의 α붕괴로 생성되고, 화강암, 장석을 포함하는 사암 대수층의 지하수에서 228Ra의 농도가 높게 나타난다.
라듐은 인체내에서 칼슘과 유사한 대사과정을 거치며 골표면에 침착하여 골육종(osteogenic sarcoma)을 유발하나 백혈병에 대해서는 아직까지 보고된 적이 없다. 반감기는 1,622년(226Ra)
방사성 요오드의 기준치
세계보건기구(WHO) 규제치는 음료수 1 kg 당 방사성요오드 10 Bq(베크렐)이며, 원전 사고 후 일본의 규제치가 300 Bq, 비상시에는 3000 Bq까지 허용하고 있다. 1987년 체르노빌 원자로 사고 이후 북유럽에서 우유의 오염으로 낙농산업이 망하게 생겨 일시적으로 기준치를 100배로 높인 예도 있다. 이렇게 방사선에 민감한 북유럽에서도 기준치를 고무줄처럼 늘릴 수 있는 이유는 무엇인가? 체르노빌 원자로 사고가 있었을 때 반경 100 km 이내에서 방사성요오드로 오염된 우유는 어른에게는 영향이 없었으나, 5세 미만의 경우는 10,000명 중에 한 명에서 갑상선암이 발생했다. 이 때 섭취한 용량은 50,000 Bq 정도로 추정된다. 반면 갑상선암 환자에게 치료용으로 쓰이는 방사성요오드는 보통 10억~70억Bq이 투여된다. 이 두 가지 예는 환경기준을 평상시는 엄격히 유지하되 비상시에는 인체에 영향이 없는 정도 까지 올릴 수 있다는 것을 보여준다.
방사성 물질이 기준치 이상 인체에 흡입되면 어떤 증상이 나타나는가?
기준치 이상이라도 저용량에서는 전혀 증상이 없다. 연간 방사선 허용량 1 mSv(밀리시버트)의 1,000배가 넘으면 구역, 구토가 있을 수 있다. 이 정도의 용량의 흡입은 사고가 난 원자력발전소 내부에서나 가능하다. 한 예로 체르노빌 원자력발전소 폭발 사고를 들 수 있다. 당시 근처에 있던 주민들은 이 폭발 사고로 대량의 방사선에 노출되면서 ‘급성 방사선증후군’이 생길 수 있었다. 초기 증상은 식욕감퇴, 구역, 피로, 설사, 두통 등인데, 약 1주일 동안은 이런 정도의 증상만 나타난다. 그 뒤에 방사선 노출량 정도에 따라 다르기는 하지만 뇌 등 중추신경계 장애, 위나 대장 등의 소화관 출혈, 골수 등 조혈기관의 기능 저하가 나타날 수 있다. 이런 증상이 나타나면 사망할 가능성이 높은 것으로 알려져 있다. 만약 생존하게 되면 6~8주에 걸쳐서 회복기에 들어갈 수 있지만, 그렇다고 해도 안심할 수 없다. 짧게는 10년에서 길게는 30년 뒤에 백혈병, 갑상선암, 유방암, 폐암, 피부암 등 각종 암이 생길 수 있기 때문이다.
일상에서의 방사선량과 위험 수준의 방사선량
1회의 가슴 엑스레이 검사에서는 0.1 mSv, 가슴 CT 검사에서는 7 mSv의 방사선을 받는다. LD50(방사선에 노출됐을 때, 50%의 사람이 사망하게 되는 방사선량)은 4000~5000 mSv로 추정된다. 이것은 가슴 CT검사 때 받는 방사선량의 500배에 해당되는데 즉 가슴 CT를 1회 찍으면서 받는 방사선량의 500배에 달하는 방사선을 동일 시간 동안 한꺼번에 받게 되면 50퍼센트의 사람이 결국 사망할 수 있다는 뜻이다.
방사성 물질에 노출 시 치료법
방사성 물질은 몸에 축적되지 않고 소변으로 배설이 되므로 저용량일 경우 특별한 치료가 필요 없다. 고용량의 방사성요오드는 갑상선에 축적될 수 있어 안정요오드를 사전에 먹으면 축적 정도를 90% 줄일 수 있다. 방사성 세슘의 경우 브라질에서 고용량 노출에 대해 프러시안블루를 복용하여 물질을 빠르게 배출시킨 예가 있다. 저용량의 방사성물질은 인체에 해가 거의 없어 치료를 하면 그에 따른 부작용이 더 문제가 될 수 있다.
방사성 물질로부터 안전하게 건강을 지킬 수 있는 방법
방사성물질은 원소의 종류에 따라 반감기가 있어 자연에서 저절로 사라진다. 예를 들면 후쿠시마 원자로에서 방출된 요오드-131은 8일이 지나면 반으로 줄어들어 2달이 지나면 거의 없어진다. 또한 체내에 들어오면 갑상선을 제외하고는 축적되지 않고, 하루에 약 3분의 2 정도가 빠져나간다. 또한 방사성물질은 물과 중성세제에 씻겨 나간다. 오염이 걱정이 되면 씻어서 섭취를 하면 된다. 현재의 환경 방사선 상태는 일상과 같으므로 특별히 주의할 점은 없다. 한국원자력안전기술원에서는 현재 전국에 100여 개의 장소에서 방사선을 모니터링 하여 웹사이트에 공지하고 있다. 그렇기 때문에 실시간으로 방사선 수준을 확인할 수 있다.
관련 용어
- 방사선 : 우라늄, 플루토늄과 같은 원자량이 매우 큰 원소들은 핵이 무거워서 상태가 불안정하기 때문에 스스로 붕괴를 일으킨다. 이 원소들이 붕괴해 다른 원소로 바뀔 때 입자나 전자기파를 방출하는데, 이를 방사선이라고 한다. 방사선은 α(알파)선, β(베타)선, γ(감마)선 등이 있다.
- 방사성핵종(Radionuclides) : 불안정한 원소의 원자핵이 스스로 붕괴하면서 내부로부터 방사선을 방출하는 원자핵을 말한다.
- 반감기(Half Life) : 방사능이 초기 방사능의 1/2 로 되는 데에 걸리는 시간이다.
- 방사능 : 방사선을 방출하는 능력을 방사능이라고 한다. 방사능을 가진 물질은 방사성 물질이라 부른다.
- 방사능 오염 : 방사능 = 방사선을 방출하는 능력을 방사능이라고 한다. 방사능을 가진 물질은 방사성 물질이라 부른다.
- 세슘137 : 자연 상태에서는 존재하지 않고, 핵실험 등에 의해 생기며 이 원소의 농도를 통해 방사능 낙진의 영향을 살펴볼 수 있다. 이 원소는 강력한 감마선으로 암세포를 죽이기 때문에 병원에서 암 치료에 널리 사용되고 있지만, 정상세포가 이들 방사선에 노출되면 암에 걸리는 등 치명적인 피해를 볼 수 있다.
- 방사성요오드 : 체내 갑상선에 축적돼 집중적인 피해를 준다. 피폭 전에 비방사성 요오드를 섭취하면 체외로 배출될 수 있다.
- 원자력발전(원전) : 원자핵 분열에서 나오는 에너지를 이용해 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 얻는 방식이다. 원자력발전소는 원자로 속에서 일어나는 핵분열 반응의 속도를 조절하는 데 사용되는 감속재와 냉각수 및 냉각방식 등에 따라 종류를 구분한다.
- 노심 : 원자로의 중심 부분. 연료 또는 연료와 감속재로 되어 있으며 우라늄의 핵분열 연쇄반응이 일어난다.
- 노심 용해(meltdown) : 노심이 녹는 현상을 말한다. 내부 이상이나 외부 충격등에 의해 원자로 온도를 적정하게 유지해 주는 냉각수가 제대로 공급되지 못하면 압력용기 안에 온도가 급격히 올라가면서 노심이 녹을 수 있다. 이 때문에 핵연료봉이 녹고, 외부에 방사성 물질을 방출할 수 있다.
- 격납용기 : 방사성 물질 유출을 막기 위한 밀폐 구조물로, 강철(내부)과 콘크리트(외부)의 2겹 구조로 돼 있다. 격납용기 안에는 노심이 있는 압력용기가 들어 있다.
- 피폭 : 방사선을 쏘이게 되는 것을 말하며, 피폭량을 나타내는 단위는 렘(rem) 혹은 시버트(vs)이다. 원자력발전소에서 대형 사고가 날 경우 방사성 물질이 덩어리가 되어 날아오르고, 이것이 내는 방사선에 의해 피폭을 입게 된다.
- 전알파 : 우라늄, 라듐, 라돈, 플루토늄 등 모든 방사성핵종에서 방출되는 α방사선을 말한다. 전알파는 방사성 물질이 얼마나 있는가에 대한 지표로서 그 자체가 인체에 해로운 것은 아니며, 미국에서는 전알파가 15pCi/L이상인 경우 위해성 판단을 위하여 라듐을 측정하도록 하고 있다.
참고자료
- 〈방사성물질〉, 《시사상식사전》
- 〈방사성물질〉, 《물리학백과》
- 〈방사능 공포, 우리는 안전할까?〉, 《국민건강지식센터》, 2015-01-27
- 〈방사능, 방사선, 방사성물질 용어 정리〉, 《노컷뉴스》, 2011-03-15
같이 보기
