요오드(방사성 아이오딘). 세슘-137이 문제다

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왜 아이오딘 정제를 먹을까?

방사성 아이오딘(요오드)

원전사고에서 문제가 되는 방사성 원소는 아이오딘과 세슘.

방사성 아이오딘에 대해서 알아보자.

지난 2011년 3월 11일 일본의 지진은 쓰나미를 일으켜 센다이 지방의 마을들을 지도에서 지워버렸다.

지진의 여파로 근처에 있는 원자력 발전소가 통제 불능 상태에 빠져 버려 많은 사람들을 공포에 빠트리고 있다. 

원자력 발전소에서 일어난 사고에 사람들이 느끼는 심한 공포감은 방사선을 방출하는 방사성 원소들 때문이다. 

이번에 특히 문제가 되는 방사성 원소는 아이오딘과 세슘이다.  이 글에서는 방사성 아이오딘에 대해서 알아본다. 

아이오딘은 통상적으로 요오드라 불리는 원소로, 원소기호는 I, 원자번호는 53이다. 우리 몸에 꼭 필요한 원소이며,

미역, 다시마와 같은 해초류에 풍부하게 들어 있다.

아이오딘(I)은 요오드라고 흔히 알려진 원소이다. 상온에서 검푸른 고체 상태(좌)이며, 기체로 승화하면 아름다운 보라색을 띤다.

아이오딘(=요오드)의 동위원소

우리 몸에 꼭 필요한 아이오딘과 방사능 아이오딘의 차이는 무엇일까? 그것을 이해하려면 우선 동위원소(isotope)를 알아야 한다.  

아이오딘은 30 종류가 넘는 동위원소가 있다.  양성자는 모두 53개로 동일하지만, 중성자의 개수가 다른 형제들이다.

원자력 발전소의 사고 혹은 핵폭탄 실험과정에서는 129I 와 131I(양성자 53개, 중성자 78개)가 생성되며, 그 중에서도

131I 이 더 많이 생성된다. 자료에 따르면 전체 핵분열 생성물의 약 3% 정도가 131I 이며, 그것의 반감기는 8.04일이다. 

반감기란 불안정한 핵을 포함하는 동위원소들이 최초의 양에서 그 양이 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 말한다. 

그러므로 131I 은 발생한 날로부터 8일이 지나면 최초로 발생한 양이 반으로 줄고, 그 다음 8일이 지나면 처음 양의

1/4 수준까지 줄어들며, 몇 달이 지나면 흔적도 없이 사라진다.  발전용으로 정상적인 수명을 다한 핵연료에는

131I 보다 129I 가 더 많이 존재한다.  왜냐하면 129I 도 핵분열의 생성물이지만 반감기가 약 1570만 년이나 되기 때문이다. 

대기 중에서 검출되는 129I 는 주로 핵폭탄 실험 또는 사용 후 핵연료 처리과정에서 방출된 것이 대부분이다.

방사성 아이오딘은 왜 생기는 걸까?

원자력 발전은 핵 분열 결과 발생되는 에너지로 증기를 만들고, 증기를 이용하여 발전용 터빈을 돌려 전력을 생산하는 것이다.

이 때 이용되는 것이 235U (우라늄 235)의 핵분열이다. 235U의 핵분열 반응식에 관한 교과서 내용은 보통 235U 원자가

중성자(n, neutron)와 반응하여 스트론튬(90Sr), 제논(143Xe), 새로운 중성자(2n)를 생성하는 것으로 간단히 표현하고 있다. 

그러나 원자력 발전소에서 핵 연료에 포함된 235U(양성자 92, 중성자 143)는 핵분열(nuclear fission)을 하면서 대략 30개

이상의 생성물을 쏟아낸다.  양성자 92개와 중성자 143개가 뭉쳐있는 조그마한 덩어리(235U의 핵)이 쪼개진 후,

양성자와 중성자가 다시 합쳐지는 경우의 수가 한두 가지가 아니기 때문이다.

실제로 235U의 핵분열 생성물을 분석하면 생성된 원자의 질량수는 독특한 분포 양상을 보인다. 

 질량수가 118-120 정도 되는(235의 반은 117.5) 핵을 가진 원자들은 적게 생성된다.  대신 그 질량수를 중심으로

질량수가 작은 원소와 큰 원소들이 상대적으로 더 많이 생성되며, 그 각각의 양이 매우 비슷하다. 

따라서 생성되는 원자의 양과 질량수 분포를 표시하는 그림은 질량수 118-120 정도에서는 움푹 들어가고,

그것을 중심으로 양쪽으로는 불쑥 튀어나온 곡선을 하고 있어, 마치 낙타 등 모습같이 보인다. 

따라서 질량수가 약 130-140 가진 원자들도 많이 생성되는데, 그 중에는 방사성 아이오딘(131I)도 상당수 포함되어 있다.
 

방사성 아이오딘의 특성

131I 을 포함하여 아이오딘이라는 물질은 휘발성이다.  고체로 존재하는 아이오딘도 실온에서 액체를 거치지 않고

곧바로 기체로 승화(sublimation)된다.  승화의 예로 교과서에 자주 등장하는 물질이 아이오딘이다. 

그런데 일반적으로 반감기가 매우 긴(몇천 년, 몇억 년) 방사성 동위원소들은 안정한 상태를 유지하지만,

131I 과 같이 반감기가 짧은 동위원소들은 다량의 방사선을 일시에 방출하여 안정한 상태로 변하기에 문제가 된다. 

이번 사고에서 131I 와 함께 발생된 137Cs 는 반감기가 약 30년이므로 131I 에 비해 비교적 오랜 기간에 걸쳐

문제를 일으킬 가능성이 농후하다.  한편 131I 은 붕괴하면서 약한 감마선을 동반하면서 주로 베타(β) 입자(선)를 방출한다. 

베타선은 굉장히 빠른 전자의 흐름으로 핵분열 직후에는 광속에 거의 가깝다.  베타선의 에너지는 방사능 핵종에 따라

크기가 다르며, 일반적으로 매우 넓은 범위에 걸쳐 에너지 분포를 갖는 특성이 있다.  그런데 131I 이 붕괴되면서 방출하는

베타선은 세포에 침투하여 세포의 변형(mutation)을 일으켜서 확률적으로 암을 유발하는 것이다. 

방출되는 베타선의 에너지가 크다면 세포를 죽이는 결과를 가져온다.  그러므로 사고로 131I 증기에 노출된 시간이 길었다면

세포가 괴멸하거나 혹은 일부 세포는 나중에 암세포로 변질될 가능성이 있는 것이다.
 

우리 몸이 필요로 하는 아이오딘

우리 몸은 아이오딘을 필요로 하지만, 불행히도 안정한 127I 과 해로운 131I 을 구별하지 못하고 흡수한다.  기체로 된 131I 는

호흡을 통해서도 쉽게 우리 몸에 들어온다.  일상에서 음식을 통해 몸으로 흡수된 아이오딘은 갑상선 호르몬을 만드는데 이용된다. 

갑상선 호르몬인 티록신과 티록신 유도체를 형성하는 과정에는 아이오딘이 필수적으로 들어간다.  이들 갑상선 호르몬들은

대사과정에 관여하며 거의 모든 세포에 영향을 미치므로 아이오딘은 반드시 섭취해야만 되는 화학물질인 것이다. 

방사능 131I 도 흡수되면 갑상선에 축적이 되고, 131I 이 방출하는 베타선을 쪼인 갑상선 세포들은 나중에 암으로 발전하는 것이다. 

그러므로 핵분열 원소 중에 암 유발을 잘하는 물질로 꼽는 것이 131I 이다.  그런데 131I 이 흡수되는 것을 막으려면 미리

아이오딘이 포함된 화학물질(예: KI, 아이오딘화 칼륨 혹은 요오드화 칼륨)을 해독제로 먹는다.  우리 몸에 이미 많은 양의

안정한 아이오딘(127I)이 있으니 131I 이 흡수되지 못하고 땀과 소변으로 방출될 가능성이 높아지기 때문이다.  많은 양의 131I 에

노출된 사람이 배출하는 땀과 소변에도 휘발성 131I 이 포함되어 오염이 전파될 가능성도 배제할 수 없다.  다행히 아이오딘이

다른 분자와 화학결합을 하면 고정이 되겠지만 여전히 위험은 내포하고 있다.  해독제로 필요한 아이오딘은 약 130 밀리그램

정도이지만, 평소에 필요한 아이오딘은 하루에 2밀리그램 이하이다.  과량을 복용하면 역시 탈이 나니 주의를 해야 된다.
 

방사성 아이오딘(131I)이 흡수되는 것을 막아주는 아이오딘 정제. 성분은 아이오딘화 칼륨이다.

아이오딘 정제의 성분은 아이오딘화 칼륨

원자 아이오딘은 전자를 잘 받아들여서 음이온인 아이오다이드(I-)가 되려는 경향이 있고, 그 결과 다른 양이온과 잘 결합하여

화합물을 만든다.  해독제로 사용되는 아이오딘화 칼륨(KI)도 그런 종류의 화합물이다.  피부의 상처와 소독에 이용되는

아이오딘 팅크는 아이오딘(I2)과 아이오딘화 칼륨(KI)을 에탄올에 녹여 만든 용액이다.  빨간색을 띠는 아이오딘 팅크 용액은

옥도정기라고도 부르며, 일반가정에서는 상비약으로 많이 사용한다. 아이오딘 화합물이 첨가된 식용 소금도 판매된다. 

바다에서 멀리 떨어져 살고 있는 사람들은 아이오딘이 풍부하게 포함된 해초류 먹거리가 익숙하지 않은 경우가 많다. 

그런 사람들은 아이오딘 화합물이 첨가된 소금을 섭취하여 부족한 아이오딘을 보충한다.  평소에 아이오딘이 많이 포함된

해초류인 다시마, 미역, 김을 즐겨 먹는 일본사람들이다.  혹시라도 그런 음식 습성이 131I 의 흡수를 방해하여 그나마

희생자 수가 최소가 되었으면 싶다.

글 여인형 / 동국대 화학과 교수

 

방사선의 인체 영향 막연한 공포의 대상 증상/질병

세슘 세슘-137이 문제다 무기화학

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세슘(Caesium/Cesium, 원소 기호 Cs, 원자번호 55)은 무른 은백색의 알칼리 금속이다.
세슘에는 여러 동위원소가 있는데, 원자핵에 중성자를 82개를 갖고 있는
방사성 동위원소 세슘-137은 원자핵 분열 시 생기는 생성물 중 가장 잘 알려진 것이다.
이 동위원소는 방사선 치료 등 많은 분야에서 사용되기도 하지만, 원자력 발전소 사고나
핵무기 실험에서 생기는 방사능 오염 물질 중 가장 위험성이 큰 것이다. 세슘은 석유 시추,
원자시계, 여러 광 및 전자 장치 등에도 사용된다.
 
 
세슘은 무른 은백색의 알칼리 금속 원소이다. 녹는점이 28.5°C로 따뜻한 곳에서는 액체가
된다. <출처: (cc) Dnn87 at Wikipedia>
 
주된 세슘 광석인 폴루사이트. <출처: (cc) captmondo at Wikipedia>
 
 

세슘의 발견과 동위원소

세슘은 1860년에 독일 과학자 분젠(Robert Bunsen, 1811~1899)과
키르히호프(Gustav Robert Kirchhoff, 1824~1887)가 광천수의 불꽃 스펙트럼에서
그 존재를 발견하였다. 그들이 발명한 분광기를 이용하여 발견한 첫 번째 원소이다.
스펙트럼에서 두 개의 진한 청색 선이 보이므로, 그리스어로 청색을 뜻하는
‘caesius’를 따서 세슘으로 명명되었다. 분젠과 키르히호프는 무려 44톤의
광천수를 졸인 용액에서 여러 과정을 거쳐 최종적으로 7.3g의 염화세슘(CsCl)을
얻을 수 있었다. 금속 세슘은 1882년에 얻어졌다.

세슘은 비교적 희귀한 금속으로, 그 존재량은 지구 껍질의 100 만분의 3에 불과하다.
자연계에 존재하는 세슘은 거의 전부가 질량수가 133인 세슘-133인데, 이 동위 원소는
방사선을 내지 않는다. 방사성 동위원소인 세슘-135(반감기 230만 년)와
세슘-137(반감기 30년)은 자연계에 극미량 존재한다. 이외에도 30 여종의 세슘 동위원소가
알려져 있는데, 이들은 대부분 핵반응을 통해 인공적으로 합성된 것으로 반감기가 짧다.
세슘을 포함하는 주된 광물은 폴루사이트(pollucite)로, 전세계 매장량의 2/3 이상이
캐나다에 있다.

원자핵 붕괴로 만들어지는 방사성 세슘-137

우라늄이나 플루토늄이 중성자를 흡수하여 분열되면 보다 작은 여러 방사성 원자들이
생기고, 많은 에너지가 나온다. 이 에너지를 이용하는 것이 원자력 발전과 핵무기이다.
방사성 핵분열 생성물 중 오랫동안 환경에 큰 위험을 끼치는 것이 세슘-137과
스트론튬(Sr)-90(반감기 28.9년)이다. 이들은 각각 핵분열 생성물의 6.3%와 4.5%를 차지하며,
원자력 발전소 사고, 핵 실험, 그리고 핵폐기물에서 발생하는 방사능 오염의 주된 원인이다.
핵분열 생성물에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 세슘-135 (6.9%)이나, 이는 반감기가
아주 길고, 따라서 시간당 나오는 방사선의 양이 적어 세슘-137에 비해 위험성은 월등히 낮다.
방사성 세슘은 우라늄이나 플루토늄이 핵분열할 때, 기체 물질인 방사성 요오드(I)나
제논(Xe)을 거쳐 만들어진다. 이들 기체 물질은 바람이나 확산에 의해 멀리 떨어진 곳까지
이동하기 때문에, 방사성 세슘도 처음의 핵분열 장소에서 멀리 떨어진 곳에서도 발견된다.

세슘-137 원자핵은 베타(β-) 붕괴를 거쳐 이와 질량수는 같으나 원자번호가 하나 더 큰
바륨(Ba) 원자핵으로 전환된다. 이 때 생성되는 바륨 원자핵의 95%는 준안정한 상태인
바륨-137m이다. 바륨-137m은 비교적 강한 감마(γ)선을 내고는 안정한 바륨-137이 되는데,
반감기는 2.55분이다. 따라서 세슘-137에 의한 방사능 피해는 주로 바륨-137m에서 나오는
감마선 때문이다.
 
 

세슘-137의 생성과 방사능 붕괴를 표시한 식

세슘의 화학적 특성

세슘의 녹는점은 실온보다 약간 높은 28.5°C로, 금속 중에서 수은(녹는점 -38.7°C) 다음으로
 낮다. 다른 알칼리 금속과 쉽게 합금을 만든다. 세슘 41%, 포타슘(칼륨, K) 47%, 그리고
소듐(Na) 12%로 이루어진 합금의 녹는점은 -78°C로, 금속성 합금 중 녹는점이 가장 낮다.
세슘은 자연계에 존재하는 원소 중 원자반경(0.264nm)이 가장 크다.

세슘은 반응성이 매우 큰 알칼리 금속으로 화학적 성질이 포타슘과 비슷하다.
공기 중에서 자발적으로 산소와 반응하여 불이 붙는 것은 물론, 찬물이 닿아도 폭발하고,
 -116 ˚C 이상의 온도에서는 얼음과도 반응한다. 따라서 금속 세슘은 밀폐된 용기에 든
수분이 없는 포화 탄화수소 속에 담가 보관하고, 취급 시에도 산소(공기)나 습기의 접촉을
피하여야 한다. 대부분의 화합물에서 세슘은 +1가 양이온으로 존재하며, 대부분의 세슘 염은
물에 잘 녹는다.

자연 상태의 세슘(세슘-133) 화합물은 독성이 약하고, 보통 사람들이 자연 상태에서
세슘 화합물을 접할 기회도 거의 없다. 예로, 염화세슘(CsCl)의 치사량은 소금(NaCl)이나
염화포타슘(KCl)의 치사량과 비슷하다. 따라서 방사성 세슘의 오염이 없는 경우에는,
세슘의 독성을 우려할 필요는 없다.

세슘-137의 방사능 위험과 유용성

최근 일본 후쿠시마 원자력 발전소 사고와 관련되어 자주 언급되는 세슘의 위험성은 주로
핵분열 생성물인 세슘-137에 의한 방사능 위험이다. 원자의 방사성 성질은 그 원자가 이온이
되거나 화합물을 만들어도 변하지 않는다. 다른 방사성 물질에 노출되었을 때와 마찬가지로,
세슘-137의 방사선에 노출되면 암에 걸릴 위험성이 커진다. 노출된 정도가 크면 화상을 입고
사망할 수도 있다.
 
 

세슘-137은 대표적인 방사성 동위원소 중 하나로 응용 범위가 넓다. 그러나
후쿠시마 원자력발전소 사고 등 방사능 유출 사고 시 큰 문제가 된다.
<출처 : (cc)³²P at Wikipedia (좌)>

생물체는 비방사성인 자연 상태의 세슘-133과 방사성인 핵분열 생성물 세슘-137을 구분하지
못한다. 세슘의 생물학적 성질은 포타슘(칼륨)과 비슷하므로, 생물체는 세슘을 필수 원소인
포타슘으로 오인하여 전해질로 흡수하고, 먹이 사슬을 통해 농축시킨다.
오염된 식품, 물, 먼지를 통해 인체 내로 들어온 세슘-137은, 신체 조직의 구성 원소가
아니기 때문에, 신체 전체에 비교적 골고루 퍼진다. 세슘의 생물학적 반감기(몸 안으로
들어온 어떤 물질의 반이 몸 밖으로 빠져나가는데 걸리는 시간)는 약 110일 이다.
방사성 세슘-137로 오염된 사람에게는 프러시안 블루(Prussian Blue: 화학식 Fe7(CN)18·xH20)
라 불리는 파란 염료를 응급 약으로 권장하고 있다. 프러시안 블루는 장에서 세슘과 착물을
만들어 몸이 세슘을 다시 흡수하는 것을 막아 보다 빨리 몸 밖으로 배출되게 한다.
이렇게 함으로써 세슘-137의 생물학적 반감기를 약 30일로 줄여, 신체가 방사능에 노출되는
시간을 줄이는 역할을 한다.

이처럼 세슘-137은 매우 위험한 방사성 동위원소이지만, 다른 한편으로는 다양한
산업 분야에서 유용하게 사용되기도 한다. 한 유형은 방사능을 이용한 농작물 처리,
암 치료, 식품 멸균 등이다. 또 다른 유형은 방사능 추적자로 사용하는 것인데, 수분,
밀도, 수평, 두께 등을 측정하는 아주 다양한 장치가 세슘-137을 사용하고 있다.

세슘의 이용

현재 세슘의 가장 큰 용도는 포름산세슘(HCOOCs)을 석유나 천연가스 시추에 사용하는 것이다.
이 화합물의 수용액은 밀도가 물의 2.4배까지 될 수 있어, 시추공에 높은 압력을 유지하고
윤활제 역할을 한다. 또한, 세슘 화합물은 석유화학 공업에서 여러 금속 이온 촉매의 효능을
높이는데 사용된다. 그리고 세슘 화합물 용액의 높은 밀도를 이용하여, 생물 관련 연구에서는
밀도 구배 원심분리(density-gradient centrifugation) 방법으로 생물 시료에 들어 있는 입자,
분자, 또는 조각들을 밀도에 따라 분리하는데 사용된다.

세슘을 포함한 합금으로 만들어진 음극은 보다 낮은 전압에서도 전자를 잘 내어 놓는다.
이 때문에 세슘은 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 광전지, 광전자 증배관, 비디오카메라,
그리고 여러 광학 장치 부품 등을 만드는 재료로 사용된다. 그리고 세슘의 할로겐 화합물
결정은 감마선이나 X-선을 검출하는 섬광 계측기에도 사용된다.
 
 

세슘 원자시계

미국 표준 시계로 활용되는 NIST-F1 세슘 원자 시계

원자시계는 원자의 두 전자 준위 사이에서 전이가 일어날 때 흡수하거나 내어놓는 고유한
전자파의 파장이나 진동수를 시간의 기준으로 삼은 것이다. 세슘 원자시계는 세슘-133 원자의
전자파를 기준으로 삼은 것으로, 1955년에 처음으로 만들어졌다. 1967년에 열린 국제도량형
총회에서는 세슘 원자시계를 국제 표준시계로 채택하였는데, 1초를 세슘-133의 바닥 상태에
있는 두 전자 준위 사이의 전이에 해당하는 전자파 주기의 91억 9263만 1770배로 정하였다.
주파수 측정의 정확성이 향상되면서, 이제 세슘 원자시계는 3000만 년에 약 1초가 벗어날
정도의 정확성을 갖고 있다. 우리나라에서는 한국 표준과학연구원이 1980년부터 세슘
원자시계를 설치 운영하고, 한국 표준 시간을 제공하고 있다.
 
 

세슘
영문표기 Caesium 혹은 Cesium. 원자번호 55번 원소. 표준원자량 132.91g/mol, 상온에서
고체이나 녹는점이 실온에 가까움. 녹는점 28.5°C, 끓는점 671°C, 밀도 1.93g/㎤. 발견자
분젠(Robert Bunsen, 1811~1899)과 키르히호프(Gustav Robert Kirchhoff, 1824~1887).
발견 연도 1860년. 전자배열 [Xe] 6s1

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

방사선 노출의 위험성을 경고하는 로고 <출처: IAEA>

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http://blog.naver.com/wsm1014/90167708947 후쿠시마에 부는 바람, 그리운 고향의 봄

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http://nonukesnews.kr/ 탈핵신문

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http://newspd.tistory.com/63 영덕

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http://item2.gmarket.co.kr/Item/detailview/Item.aspx?goodscode=260132580 후쿠시마에서 부는 바람.

[진심을 담아]

좋은 정보 감사드려요. 와~ 이 방대한 정보를 어떻게 이렇게 빠른 시간안에...
당신은 능력자~입니다!^^