방사선의 공업적 이용

에너지가 큰 방사선은 적절한 방호 또는 방어조치가 취해지지 않으면 사람을 포함한 생명체에 매우 위험한 상황을 초래할 수 있다. 방사선이 가진 에너지가 우리 몸에서 전리현상을 일으켜 세포를 죽이거나 변이를 일으키기 때문이다. 그러나 낮은 선량의 방사선을 적절하게 활용하면 우리 생활에 유익한 수많은 혜택을 받을 수 있다. 방사성 동위원소에서 나오는 방사선의 의학적 이용(진단, 치료 등)과 공업, 농업 등에의 산업적 활용은 혜택의 대표적인 예이다. 방사선의 공업적 이용을 살펴보면 대표적으로 다음과 같다.

물질의 방사선의 흡수·산란 현상 이용

에너지를 가진 방사선이 물질과 반응하면 물질에 흡수(에너지를 완전 전달)되거나 산란(에너지 일부를 물질에 전달)되는 현상이 일어난다. 물질에 의한 방사선의 흡수 또는 산란현상을 이용하여 물질의 두께나 밀도 등을 측정할 수 있다. 목적에 따라 방사선의 종류와 에너지가 적당한 것을 선택해야 하며 주로 베타(β)선 또는 감마(γ)선을 내는 방사성물질을 이용한다.

• 물체의 두께 측정 : 방사선이 물체를 투과할 때 에너지가 흡수되면서 방사선의 세기가 감쇠되는 현상을 이용한다. 물체의 특정방사선에 대한 감쇠계수가 데이터베이스로 구축되어 있어야 한다. 방사선을 입사시킨 반대편에 물체를 투과한 방사선의 세기를 측정하는 측정기를 설치하며 측정하고자 하는 물체의 두께에 따라 적당한 감쇠계수를 가진 방사성동위원소 선택이 필요하다. (I = I₀e^-μx, I₀ 는 입사 시 방사선 세기, μ는 물질의 감쇠계수, x는 물체의 두께)
• 물질의 밀도 측정 : 물질의 두께 측정 경우와 같이 방사선 감쇠계수를 이용하는 같은 원리이다. 두께가 일정한 용기에 넣은 시료에 대하여 방사선의 투과선량을 측정하여 밀도를 구할 수 있으며, 탱크 속의 액체 수면을 측정하는데도 이용된다.
• 고속중성자가 물질과의 산란반응을 통해 열중성자로 감속되는 현상을(특히 고속중성자가 수소원자와 반응하면 쉽게 열중성가 된다) 이용하여 물질 내 수분의 함유량을 측정하기도 한다. 중성자원으로는 ²³⁸Pu-Be, ²⁴¹Am-Be 등이 사용된다.(방사성물질 ²³⁸Pu 및 ²⁴¹Am에서 방출된 α입자가 Be과 충돌하면 중성자가 발생한다)

Radiography를 이용한 비파괴 검사

물체에 방사선을 주사하여 투과시킨 후 투과된 방사선으로 사진필름을 감광시켜 감광도에 따라 물체의 내부 결함을 조사하거나 구조물 등을 검사하는 비파괴형 방사선이용 기술이다. 결함이 있는 부분을 통과한 방사선의 감광정도와 결함이 없는 부분을 투과한 방사선의 감광 정도가 달라지는 것을 이용하는 것이다. 특히 재료 용접부의 결함·결손 등을 검사하는 데 많이 이용된다. 방사선으로는 주로 X선 및 γ선이 이용되며 특수한 목적으로 중성자를 이용하기도 한다. X선 발생장치(가속기 등) 또는 γ선원으로는 큰 에너지가 필요할 경우는 ⁶⁰Co, 낮은 에너지가 필요할 경우에는 방사선원으로 ¹⁹²Ir가 주로 이용된다. 방사성 동위원소 ⁶⁰Co과 ¹⁹²Ir는 원자로에서 Co 및 Ir의 안정된 동위원소에 중성자를 조사(照射)시켜 만든다.(예: ⁵⁹Co + ¹n → ⁶⁰Co) 중성자를 이용하는 Radiography 방법도 있으며 금속구조물의 수분 검출 등에 이용된다.

방사화 분석(Activation Analysis)

물질 내 원소들이 중성자를 흡수하여 원자핵의 에너지상태가 불안정하면 γ선 에너지를 방출하면서 안정된 동위원소가 되는데 이때 방출되는 γ선의 에너지(스펙트럼)를 측정하여 물질 내 원소를 비파괴 방법으로 규명하는 방사선 이용분야이다. 이는 방사화된 원소에 따라 방출하는 γ선의 에너지가 특정 값으로 특정화 되어 있는 것을 이용하는 기술이다. 즉, 특정 값의 γ선의 에너지가 검출되면 해당하는 원소를 알 수 있다. 따라서 γ선 에너지를 정밀하게 측정하는 것이 중요한데 에너지 분해(resolution)성능이 좋은 γ선 검출기로 NAI Scintillation 검출기 또는 게르마늄(Ge) 반도체 검출기를 주로 사용한다.

물질의 연대측정

방사성 동위원소는 원소 특정의 반감기(물질의 원자핵 수가 반으로 줄어드는데 걸리는 시간)를 가지고 방사붕괴를 한다. 물질의 연대측정에 사용되는 대표적인 원소는 탄소의 방사성 동위원소인 ¹⁴C 이다. 호흡을 하는 생물체(동식물)는 공기 중에 있는 ¹⁴C원소를 흡수함으로서 체내에 축적이 된다. 생물체가 살아 있을 때는 신진대사에 의한 ¹⁴C 흡수와 방사붕괴에 의한 감소의 균형이 이루어져 항상 평형상태의 ¹⁴C 방사능을 유지한다. 그러나 생물체가 사체가 되면 더 이상 ¹⁴C 흡수는 없으므로 방사붕괴에 의한 감소로 ¹⁴C 방사능은 계속 줄어든다. 따라서 평형상태의 ¹⁴C 방사능과 측정 시점의 ¹⁴C 방사능의 비율을 구하면 물질의 연대가 얼마나 오래 되었는지를 알 수 있는 것이다. 즉, 다음 식을 통해 연대를 알 수 있는 바, (¹⁴C)_t/(¹⁴C)₀ =e^-0.693t/T , (¹⁴C)_t 은 측정 당시의 방사능, (¹⁴C)₀ 은 생물체의 사체시점의 방사능, t는 구하고자 하는 시간, T는 ¹⁴C 원소의 반감기이다.

방사성동위원소 연료전지(RI Fuel Cell)

방사성 동위원소에서 방출되는 방사선이 물질에 흡수되면 열이 발생한다. 적절한 조건을 만들어주면 이 열이 엔진을 구동시키거나 소규모의 전기를 생산할 수 있다. RI 연료전지는 미국의 우주계획에 사용된 바 있는데, α입자를 방출하는 ²³⁹Pu을 연료로 사용하여 방사붕괴로 방출된 α입자의 운동에너지를 열로 전환하여 전기를 생산하여 시스템 구동 등에 필요한 동력으로 사용하는 것이다.

화학공업에 이용

방사선 조사(照射)로 고분자화합물의 원소결합을 끊어 래디컬(radical)을 만들고 이들을 결합시켜 완전히 다른 화학물질을 만들어내는 방사선 이용분야이다. 석유화학제품 생산 등에 유용하게 이용될 수 있다. 또한 고분자화합물을 분해하여 분자량이 작은 분자들로 변환시킬 수도 있는데 잘 분해되지 않거나 수용성이 낮아 처치 또는 처리가 곤란한 물질들을 분해·처리함으로서 환경오염 방지에도 이용될 수 있다.

이외에도 의료기기 및 식품 등의 멸균을 위해 방사선을 이용하기도 한다. 방사선의 의학적 이용 및 농업·식품 분야에의 이용은 별도로 다룰 것이다.