세슘-137의 특성

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일반(개요)
세슘은 원자량이 약 132.9 g/mol, 밀도가 1.87 g/cm3, 동위원소가 36개이며, 안정 동위원소는 Cs-133이다. 동위원소 대부분은 반감기가 짧고, 1년 이상인 동위원소는 Cs-137(약 30년), Cs-134(약 2년), Cs-135(약 230만년) 등 3개 이다. 원소주기율표의 1족인 알칼리금속으로 화학반응성이 크다. 수정(crystal rock)에 약 7 ppm, 해수(sea water)에 약 0.002 ppm 존재한다. 우라늄 혹은 플루토늄이 100번 핵분열 할 때, 약 6개의 Cs-137 원자가 생성되어 생성율이 큰 핵분열생성물 중의 하나이다. 환경에 방출되었을 경우, 비교적 긴 반감기, 투과방사선인 감마선 방출, 생물화학적 특성 등으로 인하여 주요 관심 대상 핵종이다. 방사선피폭선원으로 인체 외부 및 내부에서 에너지 전달과 흡수가 이루어지며, 주로 피폭하는 장기(organ)는 전신(whole body)이다.

Cs-137의 물리화학적 특성

대부분의 Cs-137은 핵분열과정에서 생성되는 단반감기의 핵종인 불활성기체 Xe-137(반감기: 3.8분)가 붕괴하여 생성된다. Cs-137은 자핵종인 Ba-137m(반감기: 2.5분)과 영구평형을 이룬 상태로 존재한다.(모핵종의 반감기가 자핵종의 것보다 매우 길 때, 모핵종과 자핵종의 방사능은 같으며, 이를 붕괴사슬 개념으로 표현하여 영구평형 상태라 한다.) Cs-137의 방사선으로 일컫는 감마선 662 keV는 실제로는 Ba-137m 이 붕괴하면서 안정핵종인 Ba-137로 될 때 방출되는 감마선이다.

¹³⁷Xe -----> ¹³⁷Cs -----> ^137mBa -----> ¹³⁷Ba(stable)

Cs은 암석과 토양에 약 7 μg/g 존재하고, 생물지구화학적 특성이 우리 몸의 필수 영양소인 칼륨(K)과 유사하기 때문에 환경에서 인체에로 전이되는 특성을 갖는다. 점토광물에 아주 강한 흡착성이 있어 환경에 방출된 대부분의 세슘은 시간이 지나면 토양에 쉽게 침적된다. Cs은 비교적 희귀한 원소이며, 많이 발견되지는 않는다. Na와 K와는 다르게 순수한 halide는 아니다.

Cs-137의 환경 거동

Cs-137은 전 지구상의 토양에서 발견된다. 주로 1950-1960 년대 이루어진 대기중 핵실험에 의하여 생성된 것이 강우와 대기이동으로 지표, 수상 등에 강하하여(낙진) 자연생태계 환경에 침적된 것이다. 반감기가 길기 때문에 현재까지도 토양 등에 남아있기 때문에 쉽게 검출이 가능하다. 지표 및 담수 환경을 통하여 생태계에 전이된다. 생물계 먹이사슬에 의해 토양에 있는 Cs을 식물이 흡수하고, 동물이 식물을 섭취하여 전이되고, 세슘이 액체상태일 경우 우리 몸 안에 혈류를 타고 이동하여 전신의 근육과 연조직에 퍼진다.

인간활동에 의한 Cs-137 환경방출량 평가자료

구분	방출량 PBq(1015Bq)	출처 유엔방사선영향과학위원회보고서
대기중핵실험	948	UNSCEAR(2000)
원자력산업(원전, 재처리 등)	40	UNSCEAR(1993)
사고 체르노빌원전(구소련) 키스팀원전(구소련) 윈스케일원전(영국) 코스모스954위성(구소련); 카나다에 추락 고이아나(브라질); 방사선치료기 파손 후쿠시마원전(일본)	70~85 0.04 0.02 0.003 0.05 6~40	UNSCEAR(2000) UNSCEAR(1993) UNSCEAR(1993) UNSCEAR(1993) UNSCEAR(1993) UNSCEAR(2013)

Cs-137의 체내 거동

인체내 Cs의 거동은 필수 영양소인 칼륨(K)과는 약간 다르지만, 전체적으로 신진대사가 유사해 그 분포특성도 비슷하다. 전신에 거의 균일하게 분포하며, 체내 흡수된 Cs의 약 80%가 근육에, 8%가 뼈 (ICRP, 1979~1988)에 침적된다. 체내 흡수되어 그 양이 1/2로 줄어드는 생물학적 반감기는 110일 정도이나, 이는 성별, 체중, 식습관 등에 따라 개인별로 다르다, 방사선방호 차원에서 주요 피폭하는 장기는 전신이며, 위장관(GI tract)에 흡수된 후 100% 혈액으로 전이된다.

Cs-137의 건강영향

체내에 들어 온 Cs-137은 전신에(신체 연조직, soft tissue) 축적된다. Cs-137은 체내에서 화학적 독성이 없으며, 단지 방사선에 의한 독성만을 고려한다. 많은 양의 전리방사선에 노출되면 암이 유발되는 것으로 알려져 있지만, 기저방사선 정도로 낮은 수준의 선량에서는 암발생 효과가 관찰되지 않았다. 법적 규제와 방사선 방호행위는 방사선피폭이 암 발생 위험을 증가시킨다는 보수적인 가정에 근거하여 이루어진다. 기저방사선량 정도로 낮은 수준의 방사선피폭에 대해서는 양적 위험평가를 신뢰성 있게 할 수 없기 때문에, 환경 내 미량의 방사성물질로 인하여 일반인에게 암발생 위험이 있다고 확신 할 수 없다. 실제, 현재의 과학지식으로 유용한 데이터와 분석 방법을 사용하여, 이러한 수준의 방사선을 피폭한 결과로 암과 같은 건강상의 영향이 있다는 것을 발견할 수 없다.

Cs-137의 음용수 기준

먹는물관리법 시행규칙(환경부령 684호)에서 정하고 있는 것으로, 일정 수주의 염분이 포함된 염지하수에 대한 기준이 있다, 먹는 물로 사용한다는 점을 고려하면 일반 음용수의 Cs-137농도 기준으로 보아도 무방하다. 외국의 경우 100 ~ 76,000 Bq/L 에 걸쳐 그 범위가 매우 넓다.(원자력위키) 다른 방사성 핵종의 경우와 마찬가지로 한도 값을 정할 때 고려사항이 다르기 때문이다. IAEA, WHO 등의 국제기구에서 권고하는 대로 일반인에 대한 선량한도(1 mSv/년)를 기준으로 하되, 연간 섭취량(음용수와 식품 등)으로 나누어 그 양을 정할 수 있으나, 보수적 관점에서 선량한도를 1/10, 1/100 등으로 줄여 가면 그 기준 값이 줄어들 수밖에 없다.

-「먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙」제2조(수질기준) : 별표1의 6. 6. 방사능에 관한 기준(염지하수의 경우에만 적용한다)

 가. 세슘(Cs-137)은 4.0 mBq/L를 넘지 아니할 것
 나. 스트론튬(Sr-90)은 3.0 mBq/L를 넘지 아니할 것
 다. 삼중수소는 6.0 Bq/L를 넘지 아니할 것

※염지하수 : 물속에 녹아있는 염분(鹽分) 등의 함량(含量)이 2,000㎎/L 이상인 암반대수층 안의 지하수로서, 수질의 안전성을 계속 유지할 수 있는 자연 상태의 물을 음용수의 원료로 하는 것

참고
NCRP, Cesium-137 in the Environment: Radioecology and Approaches to Assessment and Management, NCRP-155(2006)

UNSCEAR, Unite Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Sources and Effects of Ionizing Radiation, Report to the General Assembly, Annex B, Table 58 (1993)

UNSCEAR, Unite Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Sources and Effects of Ionizing Radiation, UNSCEAR 2013 report volume I. Report to the general assembly scientific annex A: Levels and effects of radiation exposure due to the nuclear accident after the 2011 great east-Japan earthquake and tsunami(2013)

UNSCEAR, Unite Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Sources and Effects of Ionizing Radiation, UNSCEAR Report 2013 Report to the General Assembly (2013)

이 자료의 최초 작성 및 등록 : 김봉환(KAERI) bhkim2@kaeri.re.kr