삼중수소

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삼중수소는 약한 방사선을 방출하는 방사성동위원소이다. 삼중수소는 원자로의 핵분열과정에서 직접 또는 중성자포획에 의해 발생된다. 핵융합발전에 사용될 귀중한 연료이나 환경으로 누설되어 섭취하면 체내에서 장기간 방사선을 발생시켜 돌연변이나 암을 유발할 수 있어 각국은 섭취허용한도를 엄격히 관리하고 있다.

물리적 특성

삼중수소(3H)는 순수한 베타 방출핵종으로 반감기 12.32년으로 붕괴당 최대 18.6 keV, 평균 5.7 keV의 베타선을 방출한다.

^3_1 T \rightarrow ^3_2 He^+ + e^- + \bar{\nu_e}

방출되는 베타선은 공기중 정지비정이 약 6mm이다.

삼중수소 1그램의 비방사능은 356 TBq이다.

삼중수소수(HTO, =20)는 분자량이 물(H2O, =18)보다 무거우므로 전기분해하면 전해막에서 확산계수가 다르다는 점을 이용하여 농축할 수있다.[1]

자연에 존재하는 삼중수소

삼중수소는 고에너지 우주선과 대기의 상호작용으로 항상 생성되고 붕괴되고 있다. 이양은 3 ~ 5 pCi/L (약 0.15Bq/L) 정도이다. 1963년까지 실시된 대기권 핵실험에 의해 다량의 삼중수소가 생성되어 이후 자연붕괴하고 있다. 현재는 지역에 따라 약 100~300 pCi/L (3~10 Bq/L) 정도의 배경 농도가 관측된다. 또한 원자력시설인근에서 누설된 삼중수소가 존재한다. 심층지하수는 삼중수소가 붕괴하여 없어져 삼중수소가 거의 없다. (그러나, 우라늄, 토륨 등은 높을 수 있다.)

생체 영향

생물학적 반감기

물에 포함된 수소의 생물학적 반감기는 12일이다. 즉, 12일 후에는 인체에 흡수된 삼중수소의 절반이 체외로 배출된다.

유효 선량 환산계수

다음은 ICRP-119에서 발췌한 것임. [2]

삼중수소의 유효 선량 환산계수 (단위: Sv/Bq)
경로 흡수율(f1) 유아 1세 5세 10세 15세 성인
섭취(1) 1.0 6.4×10-11 4.8×10-11/sup> 3.1×10-11 2.3×10-11 1.8×10-11 1.8×10-11
호흡(F) 1.0 2.6×10-11 2.0×10-11 1.1×10-11 8.2×10-12 5.9×10-12 6.2×10-12

(1) 물(HTO) 로 섭취시

  • F : 신속 흡수

제한치

방사능의 섭취한도를 결정하는 방법은 ICRP에서 제시한 권장피폭한도(RDL)인 연간 0.1mSv의 dose를 기준으로 계산하며, 이를 적용하면 7,610 Bq/L의 제한치가 타당하다. RDL로 1mSv/연(호주) 또는 0.5mSv/년(핀란드)을 채택하는 국가도 있다.[3] 국가별로 차이가 크다.

국가별 음용수중 삼중수소 허용치
국가 허용치
호주 76,103 Bq/L
핀란드 30,000 Bq/L
WHO 10,000 Bq/L
스위스 10,000 Bq/L
러시아 7,700 Bq/L
카나다 7,000 Bq/L
미국 740 Bq/L
유럽 100 Bq/L

검출

삼중수소에서 발생하는 베타선의 에너지는 평균 6keV로 낮은 수준이며 정지비정이 짧고 존재량도 수 Bq/L이기 때문에 검출은 매우 까다롭다.

시료는 반드시 증류하여 불순물이 없는 상태로 준비하여야 하며, 측정정밀도를 향상하기 위해 전기분해로 농축할 수도 있다.[4] 계측기내부에 시료를 장착하고 주변의 방사선원 특히 공기중 라돈으로부터 차폐해야 한다

시판되는 정밀검출기의 계측한도는 0.037Bq/cc(1pCi/cc) 정도이며 휴대형계측기에서는 0.1~25Bq/cc이다. [5]


생성

원자로 핵연료에서 일어나는 핵분열과정에서 핵분열당 0.01%정도의 삼중수소가 발생한다.[6]

중수로의 감속재로 사용하는 중수의 중수소에 중성자가 포획되어 삼중수소로 변환된다.

^2 D + n \rightarrow ^3 T (\sigma_\gamma = 0.508mb)

경수로의 임계도제어를 위해 사용하는 붕산과 냉각수관리를 위해 사용하는 리튬의 중성자 포획도 삼중수소발생원이 된다.

^6Li + n \rightarrow ^4He + ^3T (\sigma_\gamma = 940b)
^{10}B + n \rightarrow 2 ^4He + ^3T (\sigma_\gamma = 10.6mb)

용도

삼중수소는 핵융합반응을 손쉽게 일으키므로 핵융합로의 연료로 사용된다. 개발중인 ITER 핵융합로에는 3kg의 삼중수소가 장전될 것이다.[7]

^2D + ^3T \rightarrow ^4\mathrm{He} + n + 14 \mathrm{MeV}

또한, 원자폭탄의 점화 중성자선원으로 사용하거나 내부의 넣어 출력을 증가시키는 부스터핵폭탄에도 사용된다.

이외에도 야광시계에도 사용된다.

대부분의 삼중수소는 캐나다의 CANDU형 원자로에서 생산되고 있으며, 상업적 용도로 연간 400그램정도가 판매되며 가격은 그램당 3만달러라고 한다. 전세계재고량은 20킬로그램 정도로 추산된다.[7]

원자력발전소의 환경오염

경수로

원자로에서 발생한 대부분의 삼중수소는 핵연료내부나 1차냉각수에 들어 있지만, 일부는 각종 누설부위를 통해 누설되어 방사성폐기기물로 방출된다. 우리나라의 경우 원자력발전소 1기당 연간 5~20TBq가 기체 또는 액체폐기물형태로 방출되고 있다. 환경에 누설된 삼중수소는 빗물 등에 의해 원자력발전소 인근에 떨어지거나 바닷물에 유입된다. 부지별로 빗물의 삼중수소는 30~60 Bq/L, 바닷물 표층수에서는 2~3.5 Bq/L로 관측되었다.[8]

중수로

월성 중수로에서는 중수를 감속재로 사용하므로 더 많은 삼중수소가 발생한다. 1983년 가동을 시작하여 매년 200PBq이 생성되고 있어 2026년경에는 2450PBq로 평형이 될 것으로 예측되었다.[9]. 2007년 부터는 삼중수소저감장치(TRF)를 설치하여 기체방출을 줄이고 있다. 월성 발전소는 호기당 연간 100 TBq 정도가 기체 또는 액체폐기물형태로 방출되고 있다. 빗물의 삼중수소는 50 ~ 300 Bq/L, 바닷물 표층수에서는 6~10 Bq/L로 관측되었다. 중수로의 방출량은 기체는 경수로의 약 10배, 액체는 2~3배가 높은 것으로 관측되었다.[8]

참고문헌

  1. Singh et al., Cogent Engineering (2016) 3:1164789, http://dx.doi.org/10.1080/23311916.2016.1164789
  2. ICRP, 2012. Compendium of Dose Coefficients based on ICRP Publication 60. ICRP Publication 119. Ann. ICRP 41(Suppl.)
  3. CNR, Standards and Guidelines for Tritium in Drinking Water, INFO-0766, 2008
  4. M. Villa, G. Manjon, Low-level measurements of tritium in water, Applied Radiation and Isotope 61 (2004) 319-323.
  5. Marsh, R. Development of a field portable tritium instrument - applicable detector technologies, http://www.npl.co.uk/upload/pdf/20071129_irmf_marsh_1.pdf
  6. Serot, O., C. Wagemans, and J. Heyse, New Results on Helium and Tritium Gas Production From Ternary Fission, AIP CP769, 857-860, 2005.
  7. 7.0 7.1 Willms, S., Tritium Supply Considerations, Fusion Development Paths Workshop, Jam.14, 2003
  8. 8.0 8.1 한상준 외, 국내 원전 삼중수소 방사능 배출 및 환경 거동에 대한 분석 및 고찰: .J. Rad Prot. and Res. 40(4), 2015. http://dx.doi.org/10.14407/jrp.2015.40.4.267
  9. M.J. Song, S.H. Son and C.H. Jang, Tritium Inventory Prediction in a CANDU Plant, Waste Management, 15(8) 593-598, 1995.

약어 및 용어

Bq
Bequerel, 방사능 붕괴율 단위로 1초에 1개 붕괴하는 량
TBq
tera Bequerel = 1012Bq
PBq
peta Bequerel = 1015Bq
Bq/L
Bequrel per Litre, 물(액체) 1리터당 1Bq의 방사능
keV
kilo electron Volt, 방사선의 에너지 단위. 대부분의 베터선과 감마선은 수십 ~ 수백 keV의 에너지를 갖는다.
Ci
curie, = 3.7x1010Bq. 원래는 라디움 1그램의 붕괴율로 정의하였음.
pCi
pico curie = 0.037 Bq
MCi
mega curie = 37,000 TBq
TRF
Tritium Removal Facility, 삼중수소제거 장치.
barn
barn, = 10-24cm2, 핵반응 단면적의 단위
mb
milli barn