스크랩 [논평]일본원자력 발전소의 붕괴와 방사능 물질

[고춘]

일본원자력 발전소의 붕괴와 방사능 물질

이영희
인천대학교 물리학과 교수
 
인근 국가인 일본에서 지진이 발생하고, 쓰나미가 덥쳐  큰재난을 겪고있는데,

설상가상으로  지진 후유로 가동 중인 원자력 발전소에서 많은 문제점이 발생하였다.

언론에서 연일 방사능 오염에 대하여 보도하고 있다.

그에 따르는 몇 가지 알아두어야 할 점을 간략하게 기술하고자 한다.

 원자력 발전소에서 사용하는 핵연료는 우라늄 235인데

일반적으로 3-7%인 농축우라늄을 사용한다.

우라늄광에서 나오는 우라늄은 238가 99.2%이고 235가 0.72%이다.

이것을 우라늄 235를 정제하여 농축한 것이 원자력 발전소에서 사용하는 핵연료이다.

또한 사용 후 핵연료 속에는 플로토늄 239가 함유되어 있어

이것 또한 핵연료로 재사용이 가능하다.

핵발전소에서 사용되는 핵연료는 지리코늄이라는 금속 막대 속에 패랫으로

긴 막대 속에 차곡차곡 들어가서 구성되어있다.

원자로 속에서 구성되어 있는 패랫 속으로 중성자가 핵분열성 물질

(우라늄 235 또는 플로토늄 239)가 결합하여 핵붕괴가 일어나면서

한 원자가 약 200MeV의 에너지가 방출된다.

이때 방출되는 에너지를 직접적으로 물로서 식히는데, 수증기가 발생하게 되고

이 수증기의 증기를 이용하여 터빈을 돌려서 전력을 생산하게 된다.

여기서 직접적으로 생산된 수증기를 이용하는 것이 비등식 방법(예 일본),

비등점을 높이기 위하여 압력을 가하여

수증기 상태가 아닌 물 상태로 열교환기를 통하여 2차물을 끓여서 수증기를 발생게 하여

그 압력을 이용 터빈을 돌리는 것이 가압경수로이다. (예 한국).

그런데 지리코늄은 온도가 높아지면 산소와 쉽게 결합하게 되는 단점이 있다.

수증기속에서 산소를 흡수하여 산화가 발생한다.

물의 구성이 산소와 수소로 되어 있어 수소 기체가 발생하게 된다.

이 수소가 모여 발전소의 붕괴위험을 초래하게 된다.

일본원자력 발전소의 붕괴가 여기에 해당한다.

 여기서 핵분열 후에 생성되는 물질에 대해서 알아보면 약200여종의 핵물질이 생산되다.

그중에는 안정성을 가진 핵종들도 있지만 많은 수 핵종들이 불안정하여 방사선을 방출한다. 

방사선에는 입자방사선과 전자기파 방사선이 있다.

입자 방사선에는 알파 (헬륨 원소의 핵), 베타(전자입자), 양성자(수소핵), 중성자등 있고,

전자기파 방사선에는 감마선, 엑스레이선등 있다.

이중에서 알파선은 공기 중에 비행거리가 짧고,

양성자, 중성자등은 인위적인 실험에 의해서 생성할 수 있지만,

일반적으로 방사능 물질에서 방출되는 베타선이

에너지에 따라서 인체에 미치는 영향이 크다고 생각할 수 있다.

반면에 전자기파 방사선은 감마선이 에너지가 가장 커기 때문에 인체에 미치는 영향이 가장 크다.

방사선이 인체를 통과 ,흡수하는 과정에서 조직세포(체액세포)를 전리시켜 세포를 변화시키고,

그들이 가지고 있는 에너지로 인하여 상해를 주게 된다.

특히 베타선은 체내에 들어오면 에너지 전이도가 체내에 잔류하게 되어 영향을 미친다.

특히 방사선의 종류에 따라서 인체의 각 기관에 미치는 영향은 다르다.

순간적으로 많은 양을 조사 받게 되면 피부인 경우에는 화상을 입은 것처럼 나타날 수도 있고,

정낭(고환)에 조사 받게 되면 디엔에이의 변화로 후세에 기형아를 출산할 수 있다.

또 장기에 손상이 오면 만성 질환( 원자병)으로 고생하게 되는 것이다.

또 세포의 변이로 암을 유발하는데

대표적인 것이 갑상선암, 폐암, 골수암등이 있다. 

한편 방사선을 방출하는 물질을 방사능 물질이라고 하는데,

핵발전소에 생성되어 나오는 대표적인 방사능 물질이

세슘137, 요오드131, 스토로즘89, 지논137등이 나온다. 
 
이중 세슘137은 베타붕괴하며 반감기가 30년 정도이다.

여기서 반감기라는 것은 붕괴물질이 반으로 줄어드는데 걸리는 시간이다.

방사선선량이 반으로 줄어든다는 의미는 아니다.

자연 중에는 이 원소는 존재하지 않고 핵분열에 의해서만 생성되기 때문에

원자력발전소에서 방사능 오염  또는 핵실험의 유무를 확인할 때 이용되고 있는 핵종이다. 

이 원소는 주기율표 1족 6주기에 속하는 알칼리금속 원소으로 원소기호는 Cs,

원자량 132.91g/mol, 녹는점 28.24℃, 끓는점 671℃, 밀도는 1.93g/cm3 이다.

은백색을 띠며 반응성이 가장 크고 가장 연하며 따뜻한 곳에서는 액체 상태로 존재한다.

금속성이 강한 원소로 화합물은 +1가이고 불꽃반응은 청자색이다.

또한 이 원소는 나트륨과 섞여 인체에 흡수되면

암이나 각종 질병을 일으킬 수 있는 치명적인 물질로 작용한다.

또한 한번 인체에 흡수되면 100일 동안 인체에 머물면서

잘 배출이 되지 않고 인체를 손상시키는 것으로 알려졌다. 

또한 암세포를 죽이기 때문에 병원에서 자궁암 등 암 치료에 널리 사용되고 있지만

건강한 세포가 이들 방사선에 노출되면

정상세포가 이상세포로 변이가 일어나고 치명적인 피해를 입을 수 있다.

 요오드-131은 베타 붕괴하며 반감기가 8.04일이다. 

인체에 들어가면 신진 에너지대사를 조절하는 갑상샘에 농축된다.

갑상샘에 농축되어서  베타레이를  방출하면서 붕괴하는데

이베타레이가 갑상샘에 있는 물질들에게 영향을 끼치게 된다.

영향을 받은 세포나 호르몬은 이상세포이거나 다른 호르몬으로 형성되어서

인체에 악영향을 미치게 되는 것이다.

요오드-131 피해를 줄이려면 비방사성 요오드 화합물(요오드제)을 섭취해

더 이상 갑상샘에 농축되지 않도록 해야 한다.

요오드화칼륨이나 요오드나트륨(NaI), 요오드칼륨(KI), 요오드산칼륨(KIO) 등이 그것이다. 

요오드-131에 노출된 상태에서 요오드제를 섭취하면 20% 안팎이 갑상샘에 남고

나머지는 전신으로 퍼져 빠르게 소변으로 배출된다.

성인 기준으로 하루 100㎎의 요오드화칼륨을 1회 복용하면

요오드-131의 90% 이상이 갑상선에 도달하기 전에 배설되는 것으로 알려졌다.

투여 시기는 방사능 피폭 24시간 전후가 가장 바람직하다.

특이 체질이면 드물게 요오드제 섭취 시 알레르기 반응이 나타나는 일이 있다. 

요오드화칼륨[아이오딘화칼륨(potassium iodide)]은 아이오딘과 칼륨의 화합물이며

아이오딘 화합물 중에서 가장 상업적으로 중요한 무기화합물로써 요오드칼리라고도 한다. 

화학식 KI. 무색 투명한 결정 또는 흰색 결정형 분말로 냄새가 없다.

물에 잘 녹아 20℃의 물 100g에 144g이 녹는다. 이 반응을 흡열반응이라 한다. 

수용액은 중성 또는 약간의 알칼리성을 보인다.  

실험실에서는 수산화칼륨 용액에 아이오딘을 작용시켜,

증발한 다음 부생(副生)하는 아이오딘산칼륨에 목탄(C)를 가하고 끓여서 환원시켜 농축하여 만든다.

또한 순수한 것을 얻는 데에는 아이오딘화수소의 수용액과

탄산수소칼륨을 수소기류 속에서 반응시킨다.

공업적으로는 철가루(또는 파쇠, Fe)에 물 또는 0.5%의 아이오딘화칼륨 수용액을 가하고,

아이오딘을 조금씩 가하여 아이오딘화철 Fe3I8을 만든다.

이 반응액을 조용히 두었다가 잔류하는 철분을 제거하고,

탄산칼륨 (KCO3)를 작용시키면 생긴다. 

아이오딘은 체내의 신진대사를 촉진시키는 작용이 있어,

의약품으로서 만성관절염·만성류머티즘·신경통·만성금속중독·매독 등에 사용되고,

아이오딘 화합물의 원료로도 사용된다.

지논-137 (xe)은 반감기가 약 3.8분의 반감기이지만

중성자와 결합하여 세슘 -137로 변하게 된다.

그 자체는 불활성 기체이지만 중성자와 친화력이 강하여 잘 결합하기 때문에

원자력 발전소에서는 중성자 제어에 많은 애로를 주는 원소이다.

또  중성자 흡수 후에 세슘-137으로 쉽게 변하기 때문에

원자력 발전소에서 생성되는 원소 중에 골치 아픈 원소이다.

스토름즘 (Sr) 89은 베타 붕괴를 하며 반감기는 50일 정도이다.

핵분열 후에 생성되는 원소들이 원자력 발전소 내에서 장기간 보관하여

일정기간이 지난 후에 또 다른 핵폐기물 저장소를 이동하지만,

일본과 같이 공기 중에 노출이 발생하게 되면 인체에 미치는 영향이 발생한다.

특히 바다에 가라앉은 후에는 해양생물의 생태계의 변화를 초래하게 되고,

그 해양생물을 섭취하는 인체에 2차적인 감염을 발생하게 된다.

따라서 해수의 감염과 해양생물의 방사능 오염에 관한 지속적인 감시가 필요하다.
 
인천지역환경기술개발센터 웹진에서 발췌 2011.3.18

[에쿠스]

다른 부분은 잘 모르겠는데 감마선이 방출된다니 조만간 TV 밖에서 헐크들을 만나볼 수 있을 것 같습니다.

[청한]

가압경수로는 냉각수를 가압경수를 써서 붙인 명칭인 것으로 알고 있는데
비등식 방식은 원자로 내에 열교환기가 있다는 것이고
한구식은 열교환기가 원자로와 별도로 밖에 따로 있는 것을 말하고
두개의 명칭이 열교환 방식을 말하는 것은 아닐텐데

어떤 냉각 방식을 쓰느냐에 따라 가압경수로 중수로 등등으로 원자로를 나누는 것 아닌가?
하도 오래전에 배운 거라 가물가물한데