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대표적 천연방사성핵종

초생(혹은 1차) 천연방사성핵종(Primordial Natural Redionuclides)

지구의 탄생과 함께 같이 존재하고 있는 불안정 원소를 통칭하는 용어. 통상적으로 1억년 이상의 매우 긴 반감기를 가져 지구생성 이후 소멸되지 않고 환경 내에 존재하는 천연방사성핵종들을 포괄적으로 지칭하는 용어로 사용된다. 현재까지 총 288개의 초생 원소가 알려져 있는데 이 중 255개는 안정원소이며, 33개는 오랜 반감기를 가지고 있어 지구의 생성 이후 지구상에 남아 존재하고 있는 방사성핵종들이다. 이 중 주요 핵종들을 아래 표에 정리하였다.
238U, 235U, 232Th, 40K 등의 핵종이 대표적이고, 이들은 그 붕괴계열 내의 불안정한 단 반감기의 핵종들과 더불어 인간의 자연방사선원에 의한 피폭의 절반 이상을 차지하며(UNSCEAR, 1988), 지구상에 암석이나 토양 내에 다양한 농도범위를 가지며 분포한다. 대부분의 경우, 미량으로 존재하나 특정 암석이나 그 풍화물의 경우 그 생성 기작에 따라 이러한 천연방사성핵종이 상당히 높은 농도를 갖는 경우도 있다. 40K의 경우 지구상의 암석, 물, 생물체 내에 매우 폭넓게 분포하고 있는 방사성핵종이다.


<주요 초생천연방사성핵종 정보>
천연방사성핵종 붕괴기작 생성핵종 반감기(y) 천연존재비(%) 일반적인 농도 범위
(Bq/kg)
40K EC, β-, γ 40Ca, 40Ar 1.248 x 109 0.012 0.2 - 1,200
50V EC, β-, γ 50Ti, 50Cr 1.5 x 1017 0.250 -
87Rb β- 87Sr 4.88 x 1010 27.835 20 - 560
115In β- 115Sn 4.41 x 1014 95.7 -
138La EC, β-, γ 138Ba, 138Ce 1.05 x 1011 0.09 -
142Ce β- 142Nd >5.0 x 1018 11.11 -
144Nd α 140Ce 2.29 x 1015 23.8 -
147Sm α 143Nd 1.06 x 1011 14.99 -
148Sm α 144Nd 7.0 x 1015 11.24 -
150Nd β- 150Sm 6.7 x 1018 5.6 -
152Gd α 148Sm 1.08 x 1014 0.20 -
160Gd β- 160Dy >1.3 x 1021 21.86 -
176Lu EC, β-, γ 176Hf 3.78 x 1010 2.59 -
180W α 176Hf 1.8 x 1018 0.12 -
187Re (α), β- (183Ta), 187Os 4.12 x 1010 62.6 -
190Pt α 186Os 6.5 x 1011 0.014 -
204Pb α 200Hg >1.4 x 1017 1.4 -
209Bi α 205Ti (1.9 x 1019) 100 -
232Th α 228Ra 1.405 x 1010 100 4 - 78
235U α 231Th 7.038 x 109 0.7204 -
238U α 234Th 4.468 x 109 99.2742 8 - 110


붕괴 계열(혹은 2차) 천연방사성핵종

초생 천연방사성핵종들 중 238U, 235U, 232Th은 각각 우라늄계열, 토륨계열 방사성 붕괴계열을 갖는다(아래 그림 참고). 이들 초생 천연방사성핵종의 붕괴로 인하여 생성된 자핵종 중 방사성을 띄고 있는 것을 2차 천연방사성핵종이라 한다. 토양뿐 아니라 공기중에도 이들 붕괴계열을 통해 생성된 다양한 2차 천연방사성핵종이 분포하고 있으며, 우라늄 붕괴계열 중 라돈(222Rn)과 토륨 붕괴계열 중 토론(220Rn)은 이들의 자핵종과 더불어 인간의 내부피폭에 중요한 영향을 미치는 핵종이다. 라돈의 자핵종 중 210Po와 210Pb은 상대적으로 반감기가 길어 중요한 핵종으로 취급된다.



붕괴계열별 천연방사성핵종 보기(출처: 위키피디아)

         


유도방사성핵종(Naturally Generated Radionuclides)

초생 방사성핵종에 비하여 반감기는 짧으나 자연계 내에서 일어나는 다양한 핵반응에 의해 생성되어 존재하는 방사성핵종을 통칭하는 용어이다. 우주선과 대기와의 상호작용에 의해 생성되는 우주 기원의 방사성핵종과 미량이지만 지각 내에서 자발적 핵분열 반응에 의해 생성되는 방사성핵종들이 있다

우주성에 의한 핵반응에서 생긴 방사성핵종을 유도(誘導)천연방사성핵종이라 하며 14C, 3H, 7Be 등이 대표적이다. 대부분 지구 대기 중 질소 및 산소와 우주선과의 상호작용을 통해 생성된다. 이외에도 미량이나 우주기원 방사성핵종으로는 10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37Ar, 33P, 32P, 38Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 38Cl, 39Cl, 34mCl 등이 있다

그 밖에 현재로는 그 존재를 인식할 수는 없으나 과거에는 천연에 존재했었다고 생각되는 것을 소멸방사성핵종이라 한다.



NORM 안전관리 측면에서 관심을 기울여야 할 주요 핵종들

① 포타슘(40K)

포타슘(40K)

반감기 13억년으로 천연존재비가 0.012%이다(안정원소인 39K와 41K의 천연존재비는 각각 93.26%, 6.73%), 40K는 89%가 베타(β)붕괴에 의해, 11%는 전자포획(Electron Capture)에 의해 40Ar으로 붕괴되며 전자포획 시 1,461 keV의 감마(γ)선을 방출한다. 포타슘(K)은 광물, 물, 생체, 식품 등에 널리 분포하고 있는 원소이고, 인체에도 평균적으로 성인 1인당 체중의 대락 0.2%(70 kg 기준 약 140 g)를 함유하고 있으며, 모든 생물에게 다량으로 필요한 원소로써 우리 몸 안에서 신경전달작용, 효소작용, 삼투압의 유지 등에 관여하고 있다. 이를 포타슘의 천연존재비를 기준으로 40K의 방사능 농도로 환산해보면 70 kg의 성인 1인당 대략 4,400 Bq에 해당하는 양으로 인간은 항상 자신의 체내에서 감마선과 베타선을 방출하고 있는 것이다

한국영양학회(2010)의 성인 1인에 대한 칼륨의 일일 권장 섭취량이 3.5 g이므로 환산해보면 하루 대략 110 Bq에 해당하는 40K를 우리는 다양한 음식을 통하여 섭취하고 대사를 통하여 배출하게 된다. 포타슘을 대량 포함하고 있는 대표적인 과일인 바나나는 평균적으로 0.5g을 함유하고 있으며, 바나나 한개에 40K 농도는 대략 15 Bq 정도에 해당한다. 40K는 체내에서 매일 섭취와 배출이 반복되는 평형상태를 이루기 때문에 평균적인 연간 유효선량으로 환산하면 연간 약 0.17 mSv에 해당한다(UNSCEAR, 2000), 포타슘은 알칼리 금속으로 지각 내 규산염광물로 널리 분포한다. 포타슘을 많이 함유하고 있는 원료나 제품 등에는 당연히 40K이 포함되고 이에 의한 베타선이나 감마선이 방출되게 된다.

우라늄(238U, 235U, 234U)

천연으로 존재하는 방사성원소인 우라늄은 인공 동위원소를 포함하면 질량수 217부터 240까지 26종이 존재하나 천연우라늄은 각각 99.2742%, 0.7024%, 0.0054%의 존재비를 갖는 질량수 238, 235, 234 3종의 동위원소로 이루어진다. 원자력발전소에서 사용되는 연료는 주로 천연우라늄으로부터 235U를 2~3%로 농축하여 사용하거나 238U을 중성자 중합을 통해 질량수 239의 플루토늄으로 변환하여 사용하게 되나 중수로와 같이 천연우라늄을 그대로 사용하는 경우도 있다. 우라늄은 천연에서도 다양한 존재비로 존재하게 되며, 특정광물의 경우 상당히 높은 농도로 포함되기도 한다. 가장 존재비가 높은 238U은 최종적으로 안정동위원소인 206Pb로 붕괴되는 복잡한 붕괴계열을 가지고 있으며 붕괴계열 내에는 인간의 내부 및 외부피폭에 큰 영향을 미치는 다양한 자핵종들을 포함하고 있다. 우라늄은 지각 중에 널리 분포(평균 약2.3ppm)하고 있는 원소이고, 지구화학적으로 불호정 원소(Incompatible element)로써 산성 화성암류에 상대적으로 높은 농도로 분포하며, 생성연대가 오래된 암석일수록 일반적으로 그 함유량이 높다.

또한, 우라늄은 바닷물에도 3.3ppb 정도가 녹아있다. 우라늄은 알파붕괴를 하지만 베타붕괴나 감마선을 방출하는 다양한 자핵종을 그 붕괴계열 내에 포함하고 있고 모핵종의 긴 반감기에 비하여 상대적으로 매우 짧은 반감기를 갖기 때문에 생성연령이 오래된 다양한 암석 및 광물 내에서 방사평형을 이루고 있는 경우가 있다. 극히 일부의 경우이긴 하지만 농도가 매우 높은 경우에는 라돈 및 그 자핵종에 의한 내부피폭 이외에도 자핵종의 감마선 방출에 의한 외부피폭도 중요하게 다루어야 할 필요가 있다. 그러나 천연으로 존재하는 우라늄은 알파입자를 방출하며 반감기가 매우 길기 때문에 인체 내로 흡입 또는 섭취하지 않는 한 방사선 위해도는 상당히 낮은 편이라 할 수 있다. 체내에서도 방사선에 의한 독성보다 화학적으로 독성이 훨씬 큰데, 이는 몸 안으로 들어온 우라늄이 우라닐 이온(UO22+)이 되고 이것이 뼈, 신장, 간 등의 생식조직에 축적되어 이들의 기능을 저해할 수 있다.

토륨(232Th)

토륨은 악티늄 계열에 속하는 천연방사성핵종으로 토륨 붕괴계열의 모 원소에 해당한다. 반감기는 140억년으로 최종적으로 208Pb로 붕괴된다. 자연계에는 228Th, 230Th, 231Th, 234Th의 동위원소를 갖고 있으며 이들 모두는 우라늄과 토륨계열의 붕괴계열 내에 포함된다. 지각 내에 우라늄에 비해 4배 이상 부화되어 흔하게 분포하는 원소이다.(토양 내 평균 토륨 농도는 약 6ppm), 이산화토륨(ThO2)이나 질산토륨(Th(NO3)4)은 상업적으로 가스맨틀의 광원(이동식 가스맨틀로 이용되는 벨스바흐식 맨틀임. 산화토륨과 약 1%의 산화세륨 그리고 다른 성분을 함유한 이 맨틀은 가스 불빛 아래서 매우 밝은 빛을 발산)으로 흔하게 사용되어 왔다. 마그네슘과의 합금(Mag-Thor)은 항공기나 로켓의 엔진에 사용되기도 한다. 토륨은 산화물 형태(Thoria)로 용접봉에 흔하게 사용된다. 토륨 산화물은 과거 고가의 카메라 렌즈의 코팅제로도 활용되었으며, 전기기구의 텅스텐와이어 코팅제, 광전도 재료, 용접봉이나 전구 필라멘트의 성능을 개선하기 위한 첨가제, 피뢰침, 촉매 재료 및 일부 베라믹 제품 등 다양한 용도로 활용되어 NORM/TENORM 분야에서 주된 관심의 대상이 되는 방사성원소이다.

토륨은 중성자를 흡수함으로써 핵분열성의 233U을 발생하게 되고 이를 이용한 열중성자 증식로로 활용이 가능하여 핵원료로 사용하기 위한 상용화 연구가 활발하게 진행되고 있다. 233U은 235U나 239Pu에 비해 중성자 수량이 많고 지구상에 매우 흔한 원소이며, 우라늄과 달리 자발적 핵분열을 일으키지 않기 때문에 원자로 핵연료로써 상대적 안전성이 높아 후쿠시마 원전사고 이후 유럽연합, 미국, 중국, 인도 등을 중심으로 토륨 원자로 개발이 진행되고 있으나 상용화에 이르기까지는 상당한 시일이 소요될 것으로 보인다.
자연계에서 토륨을 함유한 광물은 매우 다양하나 대부분 상업적으로 이용되는 토륨은 모나자이트에서 희토류를 추출하는 처리 공정에서 부산물로써 얻어지게 된다. 최근 토륨의 수요는 급격하게 감소하는 추세인데 산업적 활용도가 현저하게 줄어들고 있고 방사선 피폭과 관련된 규제가 국가별로 강화되는데 그 이유가 있다.

라듐(226Ra, 228Ra, 224Ra, 223Ra)

1898년 프랑스의 물리학자인 퀴리 부부에 의해서 폴로늄(polonium)과 함께 우라늄 광석에서 발견된 최초의 방사성원소로, 주원소인 226Ra은 반감기가 1,601년이며 222Rn으로 붕괴된다. 자연계에 226Ra, 228Ra, 224Ra, 223Ra의 동위원소를 가지며, 이들은 우라늄과 라듐의 붕괴계열 내 포함되는 방사성원소이다. 라듐은 매우 불안정하며, 옅은 푸른색의 발광특성을 갖고 있다. 라듐은 우라늄의 붕괴계열 내 원소이기 때문에 대부분 우라늄광에 공존하여 산출되게 된다. 또한 칼슘과 화학적 거동이 유사하여 칼슘을 많이 포함한 퇴적암류(석회암) 등에 흔하게 포함되기도 한다.

라듐은 자체적인 발광특성으로 인하여 과거에는 시계바늘이나 숫자판의 야광페인트로 많이 사용되었다. 과거 야광시계 제조공정의 일부 근로자들과 라듐을 발견한 퀴리 부인의 주 사망원인은 라듐에 의한 방사선 피폭이었다. 또한, 우리가 잘 알고 있는 물리학자 베크렐은 소량의 라듐을 앰플에 넣어 약 6시간동안 지니고 다니다 피부가 궤양이 발생하는 경험을 하였으며, 이로 인하여 골수암, 백혈병 등을 발생시키기도 하였다. 심지어 "Radithor" 라는 라듐을 함유한 음료(최소 1μ Ci의 226Ra, 228Ra 함유)도 생산되어 직접 복용하는 경우도 있었으며, 이로 인하여 라듐의 위해성이 본격적으로 알려지게 되었다. 과거 1920년대와 1930년대 라듐은 라돈의 발생원으로써 의학적으로 사용되기도 하였다. 11.4일의 짧은 반감기를 갖는 223Ra은 현재까지도 암의 골수로 전이를 평가하기 위한 목적으로 의학용으로 활용된다.

NORM/TENORM 분야에서 라듐은 주요광물의 처리공정에서 부산물로 발생되거나 원유 시추나 석유 정제 공정에서 스케일 등에 고농도로 농축되기도 한다. 인광석을 처리하여 인산이나 복합비료를 생산하는 공정에서 발생되는 부산물인 인산석고 내에는 상당한 양의 라듐이 포함되게 된다. 또한 석유 및 가스 산업 분야에서 라듐을 포함한 스케일의 문제는 오랜 관리와 관심의 대상이기도 하다. 특히, 지질 특성상 라듐의 함량이 높은 지역에서는 라듐의 붕괴에 의해 발생되는 라돈 가스로 인하여 실내라돈 농도가 높아질 개연성이 있어 이에 대한 관리 역시 필요하다.

라돈(222Rn, 220Rn, 219Rn)

라돈은 암석과 토양 내에 천연적으로 존재하는 우라늄(238U, 235U)과 토륨(232Th)의 방사성붕괴계열 내의 천연방사성핵종인 라듐(226Ra, 223Ra, 224Ra)의 방사성붕괴(알파붕괴)에 의해 생성되며, 각각 222Rn, 220Rn, 219Rn로 붕괴하는데 이들은 각각 라돈(Radon), 악티논(Actinon), 토론(Thoron)이라 칭한다. 219Rn(악티논)의 반감기는 3.96초로 매우 짧으며 모핵종인 235U의 양 자체가 자연계에 매우 적기 때문에 인간에 미치는 방사선 피폭에 대해서는 무시할 수 있다. 220Rn(토론)은 반감기가 55.6초로 매우 짧긴 하지만 모 핵종인 232Th이 자연계에 매우 흔한 원소이므로 모핵종의 농도가 높은 경우 피폭을 고려하기도 한다.

일반적으로 라돈을 지칭하는 222Rn은 반감기가 약 3.8일이고 그 자핵종인 218Po, 214Bi, 214Pb, 214Po 등이 공기중을 떠돌거나 먼지 등의 표면에 흡착되어 호흡을 통해 인체로 흡입되어 방사선 피폭을 유발하게 된다. 라돈 자체는 불활성 기체이기 때문에 우리가 호흡기를 통해 흡입을 하면 바로 빠져나가게 되지만 이들 자핵종들은 전하를 띠는 금속원소이기 때문에 우리 체내에 남아 방사선 피폭을 유발하게 되며, 대부분의 피폭은 이들 자핵종에 의한 영향으로 볼 수 있다. 유엔 방사선 영향에 대한 과학위원회(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR)의 보고서에 따르면, 평균적으로 인간이 자연으로부터 받는 방사선량(2.4 mSv/y) 중 약 50%에 해당하는 1.24 mSv/y가 라돈 및 토론과 그 자핵종들의 흡입에 의한것이며, 라돈 및 토론에 의한 체내피폭의 대부분이 실내에서의 호흡에 의한 것으로 평가되고 있다.

또한, 한국원자력안전기술원의 2009년 간행물 "우리나라의 방사선 환경" 에서 우리 국민은 평균적으로 자연으로부터 3.08 mSv/y의 방사선량을 받으며, 이 중 라돈 및 토론 그리고 그 자핵종들의 흡입에 의해 1.40 mSv/y의 방사선량을 받는 것으로 평가하였다. NORM/TENORM 분야에서는 주로 실내공간의 라돈 농도 관리에 초점을 맞추게 된다. 원료물질이나 부산물에서 발생된 라돈이 상당히 높은 농도로 실내 공간에 축적되어 근무자의 피폭을 야기하게 될 경우 이에 대한 관리가 중요하게 된다. 원료물질을 실내에서 보관한다던지 작업환경이나 공정 내에서 유의할만한 농도로 증가될 경우가 가끔 발생할 수 있다.

폴로늄(210Po)

1898년 퀴리 부부가 라듐과 동시에 발견하였으며, 퀴리부인의 조국인 폴란드의 이름을 따서 "폴로늄"이라 명명되었다. 폴로늄은 천연방사성핵종으로 7개의 동위원소가 존재하는데 토륨계열의 216Po, 212Po와 우라늄 계열의 218>Po, 214Po, 210Po 그리고 악티늄계열의 215Po, 211Po가 존재하는데 반감기 138일의 210Po과 3.1분의 218Po을 제외하고는 1초 이하의 극히 짧은 반감기를 가져 통상 폴로늄 하면 210Po을 말한다. 폴로늄은 강한 화학적 독성을 지니고 있기 때문에 극소량이 인체에 들어간다 하더라도 매우 위험하다. 영국으로 망명해 러시아 푸틴 정권을 비판해 오던 알렉산드로 리트비넨코를 암살한 테러에서 사용된 독극물이 폴로늄이었다. 폴로늄은 우라늄광에서는 발견되지만 짧은 반감기로 자연계에서는 그리 흔하지 않은 원소이다. 일반적으로 라듐이 존재하는 경우 약 0.2%의 폴로늄이 포함되는 것으로 알려져 있다.

인산비료를 많이 사용하여 재배한 담배 잎의 경우 폴로늄의 함량이 높게 되고 담배연기에서 흔하게 검출된다. NORM/TENORM 측면에서 폴로늄은 우라늄 붕괴계열의 중요한 핵종이고 극소량이긴 하지만 지구상 어느곳에서나 분포하고 있으며 특히 생태계 전반에 걸쳐 폭넓게 검출된다. 화학적 독성과 흡입에 의한 내부피폭 측면에서 중요하다. 흔한 경우는 아니지만 고농도 스케일에서 높은 농도로 검출되기도 한다. 210Po는 베타 붕괴를 통해 210Bi를 거쳐 210Pb로 되는 붕괴되는데 210Pb는 22.3년의 긴 반감기를 가지며 알파, 베타, 감마선을 모두 방출하기 때문에 내부 및 외부피폭 측면에서 매우 중요한 핵종으로 취급된다. 폴로늄은 일반적으로 우라늄광에 항상 포함되어 산출되게 된다. 통상 우라늄광에는 바나듐이나 구리가 공존하게 되는데 우라늄의 정광 및 정제 공정 등을 통하여 폴로늄이 구리나 바나듐광에 섞일 가능성이 있으며, 이 과정에서 관련 근무자에게 상당한 방사선 피폭을 야기할 가능성도 있다. 국내 수입 구리나 바나듐 원광에서도 이러한 고농도 폴로늄이 검출될 가능성도 있다.

② 우라늄(238U, 235U, 234U)
③ 토륨(232Th)
④ 라듐(226Ra, 228Ra, 224Ra, 223Ra)
⑤ 라돈(222Rn, 220Rn, 219Rn)
⑥ 폴로늄(210Po)