수학‧물리‧천문 분과 황선태
삼중수소(3H or T)는 수소(H)의 동위원소로서 방사성 원소이며 H와 같이 환경에서 산소(O)와 반응하여 이른바 삼중수소수(HTO or T2O)를 생성한다. 액체로서 삼중수소수는 보통 물과 함께 환경을 통해 쉽게 이동하여 매우 낮은 농도(0.37~1.11 Bq/L)로 자연적으로 존재한다. 3H 핵은 방사성 붕괴하면 매우 약한 에너지 0.0186 MeV 베타(β)입자를 방출하는데 반감기(T1/2)는 12.32 y이고 β 에너지 스펙트럼 분석에 의하면 평균 에너지는 약 0.0057 MeV로써 공기 중에서 약 6 mm 정도만 이동할 수 있다. 3H의 β 입자는 피부 표층에서 그 에너지가 전부 소멸하기 때문애 인체조직은 투과하지 못한다. 따라서, 인체에 미치는 외부피폭 영향은 무시될 수 있다. 한편, 방사성 독성에서 3H는 그 독성이 가장 약한 동위원소로 분류한다. (호주 전리방사선 표준, 실험실 안전 지침 AS2243.4)
註 ∙ Bq: 베크렐(becquerel), 방사능 국제기본 단위, 1 Bq𝍡1 dps (s-1), dps: disintegration/sec
∙ 3H 핵 붕괴방식: 3H → 3He + e- + ν- (e-:β입자, ν-: 반중성미자)
3H는 상층 대기 중에서 우주선이 공기 분자들과 충돌할 때 핵반응에 의해 대기 중에 생성되는 자연적 발생 방사성 수소로서 우주선 중성자(1n)에 의하여 매년 1.48⨯1017 Bq 발생함으로써 환경에 존재하는 3H 총량은 약 2.59⨯1018 Bq이다 (RSSI Tritium Fact Sheet). 그 결과 3H는 전 세계 지하수 또는 표면 수에서 극미량 또는 미량으로 발견된다. 한편, US NRC의 무제한 3H 방출 가능 한계는 3.7⨯1016 pBq/L이다. 3H는 각종 연구로에서 R&D 과정에서는 물론, 각국 상업용 원자력발전소(경수로 및 중수로)에서 전기생산 과정의 부산물로 발생한다. 특히, 3H는 다른 모든 방사성 핵종처럼 발암성 물질이기도 하다. 그래서 US EPA는 식용 수 중 3H에 대한 방사능 오염 한계를 7.4⨯102 Bq/L로 제한하고 있다. 그러나 호흡과 취식을 통한 3H의 흡입 또는 섭취에서 초래되는 인체 내부피폭 누적에 의한 암 발생 사망률은 각각 1.054⨯10-12/Bq 또는 1.190⨯10-12/Bq 값으로 산출된다(Human Health Fact Sheet, ANL, Aug. 2005). 따라서 3H 방사능 1 Bq당 암 치명적 위험도는 약 ‘1.1 조 분의 1’수준으로서 역시 무시할 만하다.
註 ∙ 대기 중 공기 분자와 우주선 충돌14N + 1n → 12C + 3H, 14N + 1n → 3 4He + 3H
∙ 원자력발전소(경수로·중수로) 상업 가동6Li + 1n → 3H + 4He, 10B + 1n → 3H + 2 4He2H + 1n → 3H (중수소의 중성자 1n 포획) 등
위에서 언급된 식용수 중 3H에 대한 법적 제한은 국가마다 크게 다르다 (캐나다 원자력안전위원회 2017년 2월 23일 확인). 그 일부 수치의 실례를 들어 보면, 노르웨이 100 Bq/L (2023년 1월 7일 확인), 러시아 7,700 Bq/L, 미국 740 Bq/L, 세계보건기구 10,000 Bq/L, 스위스 10,000 Bq/L, 일본 60,000 Bq/L, 캐나다 (온타리오) 7,000 Bq/L, 핀란드 20,000 Bq/L 및 호주 76,103 Bq/L (호주 식수지침 6, 2015년 3월)이다. (Wikipedia 2023년 6월 25일)
참고로, 일본 후쿠시마 제1 원자력발전소의 액체폐기물 정화시설, ‘다핵종제거설비(ALPS)’에서 전처리되지 않은 삼중수소(3H)가 포함된 오염수의 비정상적 방류 여부는 “국제원자력기구(IAEA)가 주도적으로 3H 방사능 누출 실시간 현장 감시에 따라 평가·검증할 수 있다”고 개인적 의견을 피력하는 바이다. 여기서, ALPS에서 정상 방류된 처리수는 2011년 3월 11일 동일본 대지진으로 인해 유출된 방사성 물질을 함유한 오염수를 정화하여 3H 이외의 방사성 물질이 규제기준을 만족할 때까지 정화·처리한 물이다.
註 ∙ ALPS: Advanced Liquid Processing System(Toshiba R&D Facility, 2012. 10월 준공)
∙ 한국원자력학회“후쿠시마 오염수, 국내 영향은 무시할 수준”...공개토론 제안(2023. 6. 20)
∙ IAEA:“일본 후쿠시마 오염수 방류 계획, 국제안전기준 부합”최종 보고서 발표(2023. 7. 4)
필자소개
KAIST 원자력·양자공학과 핵공학 박사
KRISS 방사선연구 실장, (현) 명예연구원
US NIST 핵연구 센터 IAEA Fellowship
STEPI 국제과기협력 센터 기술협력위원
IDK Ltd. Co. AET Tech. R&D 자문위원