대표적 천연방사성핵종
초생(혹은 1차) 천연방사성핵종(Primordial Natural Radionuclides)
지구의 탄생과 함께 같이 존재하고 있는 불안정 원소를 통칭하는 용어. 통상적으로 1억년 이상의 매우 긴 반감기를 가져 지구생성 이후 소멸되지 않고 환경 내에 존재하는
천연방사성핵종들을 포괄적으로 지칭하는 용어로 사용된다. 현재까지 총 288개의 초생 원소가 알려져 있는데 이 중 255개는 안정원소이며, 33개는 오랜 반감기를 가지고
있어 지구의 생성 이후 지구상에 남아 존재하고 있는 방사성핵종들이다. 이 중 주요 핵종들을 아래 표에 정리하였다.
238U, 235U, 232Th, 40K 등의 핵종이 대표적이고, 이들은 그 붕괴계열 내의 불안정한 단 반감기의 핵종들과 더불어
인간의 자연방사선원에 의한 피폭의 절반 이상을 차지하며(UNSCEAR, 1988), 지구상에 암석이나 토양 내에 다양한 농도범위를 가지며 분포한다. 대부분의 경우,
미량으로 존재하나 특정 암석이나 그 풍화물의 경우 그 생성 기작에 따라 이러한 천연방사성핵종이 상당히 높은 농도를 갖는 경우도 있다. 40K의 경우
지구상의 암석, 물, 생물체 내에 매우 폭넓게 분포하고 있는 방사성핵종이다.
| 천연방사성핵종 | 붕괴기작 | 생성핵종 | 반감기(y) | 천연존재비(%) | 일반적인 농도 범위 (Bq/kg) |
|---|---|---|---|---|---|
| 40K | EC, β-, γ | 40Ca, 40Ar | 1.248 x 109 | 0.012 | 0.2 - 1,200 |
| 50V | EC, β-, γ | 50Ti, 50Cr | 1.5 x 1017 | 0.250 | - |
| 87Rb | β- | 87Sr | 4.88 x 1010 | 27.835 | 20 - 560 |
| 115In | β- | 115Sn | 4.41 x 1014 | 95.7 | - |
| 138La | EC, β-, γ | 138Ba, 138Ce | 1.05 x 1011 | 0.09 | - |
| 142Ce | β- | 142Nd | >5.0 x 1018 | 11.11 | - |
| 144Nd | α | 140Ce | 2.29 x 1015 | 23.8 | - |
| 147Sm | α | 143Nd | 1.06 x 1011 | 14.99 | - |
| 148Sm | α | 144Nd | 7.0 x 1015 | 11.24 | - |
| 150Nd | β- | 150Sm | 6.7 x 1018 | 5.6 | - |
| 152Gd | α | 148Sm | 1.08 x 1014 | 0.20 | - |
| 160Gd | β- | 160Dy | >1.3 x 1021 | 21.86 | - |
| 176Lu | EC, β-, γ | 176Hf | 3.78 x 1010 | 2.59 | - |
| 180W | α | 176Hf | 1.8 x 1018 | 0.12 | - |
| 187Re | (α), β- | (183Ta), 187Os | 4.12 x 1010 | 62.6 | - |
| 190Pt | α | 186Os | 6.5 x 1011 | 0.014 | - |
| 204Pb | α | 200Hg | >1.4 x 1017 | 1.4 | - |
| 209Bi | α | 205Ti | (1.9 x 1019) | 100 | - |
| 232Th | α | 228Ra | 1.405 x 1010 | 100 | 4 - 78 |
| 235U | α | 231Th | 7.038 x 109 | 0.7204 | - |
| 238U | α | 234Th | 4.468 x 109 | 99.2742 | 8 - 110 |
붕괴 계열(혹은 2차) 천연방사성핵종
초생 천연방사성핵종들 중 238U, 235U, 232Th은 각각 우라늄계열, 토륨계열 방사성 붕괴계열을 갖는다(아래 그림 참고). 이들 초생 천연방사성핵종의 붕괴로 인하여 생성된 자핵종 중 방사성을 띄고 있는 것을 2차 천연방사성핵종이라 한다. 토양뿐 아니라 공기중에도 이들 붕괴계열을 통해 생성된 다양한 2차 천연방사성핵종이 분포하고 있으며, 우라늄 붕괴계열 중 라돈(222Rn)과 토륨 붕괴계열 중 토론(220Rn)은 이들의 자핵종과 더불어 인간의 내부피폭에 중요한 영향을 미치는 핵종이다. 라돈의 자핵종 중 210Po와 210Pb은 상대적으로 반감기가 길어 중요한 핵종으로 취급된다.
붕괴계열별 천연방사성핵종 보기(출처: 위키피디아)
유도방사성핵종(Naturally Generated Radionuclides)
초생 방사성핵종에 비하여 반감기는 짧으나 자연계 내에서 일어나는 다양한 핵반응에 의해 생성되어 존재하는 방사성핵종을 통칭하는 용어이다. 우주선과 대기와의 상호작용에
의해 생성되는 우주 기원의 방사성핵종과 미량이지만 지각 내에서 자발적 핵분열 반응에 의해 생성되는 방사성핵종들이 있다
우주방사선에 의한 핵반응에서 생긴 방사성핵종을 유도(誘導)천연방사성핵종이라 하며 14C, 3H, 7Be 등이 대표적이다. 대부분 지구 대기 중 질소 및 산소와 우주방사선과의 상호작용을
통해 생성된다. 이외에도 미량이나 우주기원 방사성핵종으로는 10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 32Si, 39Ar, 22Na,
35S, 37Ar, 33P, 32P, 38Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 38Cl, 39Cl,
34mCl 등이 있다
그 밖에 현재로는 그 존재를 인식할 수는 없으나 과거에는 천연에 존재했었다고 생각되는 것을 소멸방사성핵종이라 한다.
NORM 안전관리 측면에서 관심을 기울여야 할 주요 핵종들
| ① 포타슘(40K) |
포타슘(40K)
반감기 13억년으로 천연존재비가 0.012%이다(안정원소인 39K와 41K의 천연존재비는 각각 93.26%, 6.73%), 40K는 89%가 베타(β)붕괴에 의해, 11%는 전자포획(Electron Capture)에
의해 40Ar으로 붕괴되며 전자포획 시 1,461 keV의 감마(γ)선을 방출한다. 포타슘(K)은 광물, 물, 생체, 식품 등에 널리 분포하고 있는 원소이고, 인체에도 평균적으로 성인 1인당
체중의 대락 0.2%(70 kg 기준 약 140 g)를 함유하고 있으며, 모든 생물에게 다량으로 필요한 원소로써 우리 몸 안에서 신경전달작용, 효소작용, 삼투압의 유지 등에 관여하고 있다.
이를 포타슘의 천연존재비를 기준으로 40K의 방사능 농도로 환산해보면 70 kg의 성인 1인당 대략 4,400 Bq에 해당하는 양으로 인간은 항상 자신의 체내에서 감마선과 베타선을 방출하고 있는 것이다
우라늄(238U, 235U, 234U)
천연으로 존재하는 방사성원소인 우라늄은 인공 동위원소를 포함하면 질량수 217부터 240까지 26종이 존재하나 천연우라늄은 각각 99.2742%, 0.7024%, 0.0054%의 존재비를
갖는 질량수 238, 235, 234 3종의 동위원소로 이루어진다. 원자력발전소에서 사용되는 연료는 주로 천연우라늄으로부터 235U를 2~3%로 농축하여 사용하거나 238U을
중성자 중합을 통해 질량수 239의 플루토늄으로 변환하여 사용하게 되나 중수로와 같이 천연우라늄을 그대로 사용하는 경우도 있다. 우라늄은 천연에서도 다양한 존재비로 존재하게
되며, 특정광물의 경우 상당히 높은 농도로 포함되기도 한다. 가장 존재비가 높은 238U은 최종적으로 안정동위원소인 206Pb로 붕괴되는 복잡한 붕괴계열을 가지고
있으며 붕괴계열 내에는 인간의 내부 및 외부피폭에 큰 영향을 미치는 다양한 자핵종들을 포함하고 있다. 우라늄은 지각 중에 널리 분포(평균 약2.3ppm)하고 있는 원소이고, 지구화학적으로
불호정 원소(Incompatible element)로써 산성 화성암류에 상대적으로 높은 농도로 분포하며, 생성연대가 오래된 암석일수록 일반적으로 그 함유량이 높다.
토륨(232Th)
토륨은 토륨 붕괴계열의 모 원소에 해당한다. 반감기는 140억년으로 최종적으로 208Pb로 붕괴된다. 자연계에는 228Th, 230Th,
231Th, 234Th의 동위원소를 갖고 있으며 이들 모두는 우라늄과 토륨계열의 붕괴계열 내에 포함된다. 지각 내에 우라늄에 비해 4배 이상 부화되어 흔하게 분포하는 원소이다.(토양
내 평균 토륨 농도는 약 6ppm), 이산화토륨(ThO2)이나 질산토륨(Th(NO3)4)은 상업적으로 가스맨틀의 광원(이동식 가스맨틀로 이용되는 벨스바흐식 맨틀임. 산화토륨과 약 1%의 산화세륨 그리고
다른 성분을 함유한 이 맨틀은 가스 불빛 아래서 매우 밝은 빛을 발산)으로 흔하게 사용되어 왔다. 마그네슘과의 합금(Mag-Thor)은 항공기나 로켓의 엔진에 사용되기도 한다.
토륨은 산화물 형태(Thoria)로 용접봉에 흔하게 사용된다. 토륨 산화물은 과거 고가의 카메라 렌즈의 코팅제로도 활용되었으며, 전기기구의 텅스텐와이어 코팅제, 광전도 재료, 용접봉이나 전구 필라멘트의
성능을 개선하기 위한 첨가제, 피뢰침, 촉매 재료 및 일부 베라믹 제품 등 다양한 용도로 활용되어 NORM/TENORM 분야에서 주된 관심의 대상이 되는 방사성원소이다.
라듐(226Ra, 228Ra, 224Ra, 223Ra)
1898년 프랑스의 물리학자인 퀴리 부부에 의해서 폴로늄(polonium)과 함께 우라늄 광석에서 발견된 최초의 방사성원소로, 주원소인 226Ra은 반감기가 1,601년이며 222Rn으로 붕괴된다.
자연계에 226Ra, 228Ra, 224Ra, 223Ra의 동위원소를 가지며, 이들은 우라늄과 라듐의 붕괴계열 내 포함되는 방사성원소이다. 라듐은 매우 불안정하며,
옅은 푸른색의 발광특성을 갖고 있다. 라듐은 우라늄의 붕괴계열 내 원소이기 때문에 대부분 우라늄광에 공존하여 산출되게 된다. 또한 칼슘과 화학적 거동이 유사하여 칼슘을 많이 포함한 퇴적암류(석회암)
등에 흔하게 포함되기도 한다.
라돈(222Rn, 220Rn, 219Rn)
라돈은 암석과 토양 내에 천연적으로 존재하는 우라늄(238U, 235U)과 토륨(232Th)의 방사성붕괴계열 내의 천연방사성핵종인 라듐(226Ra, 223Ra, 224Ra)의
방사성붕괴(알파붕괴)에 의해 생성되며, 각각 222Rn, 213Rn, 220Rn로 붕괴하는데 이들은 각각 라돈(Radon), 악티논(Actinon), 토론(Thoron)이라 칭한다.
219Rn(악티논)의 반감기는 3.96초로 매우 짧으며 모핵종인 235U의 양 자체가 자연계에 매우 적기 때문에 인간에 미치는 방사선 피폭에 대해서는 무시할 수 있다.
220Rn(토론)은 반감기가 55.6초로 매우 짧긴 하지만 모 핵종인 232Th이 자연계에 매우 흔한 원소이므로 모핵종의 농도가 높은 경우 피폭을 고려하기도 한다.
폴로늄(210Po)
1898년 퀴리 부부가 라듐과 동시에 발견하였으며, 퀴리부인의 조국인 폴란드의 이름을 따서 "폴로늄"이라 명명되었다. 폴로늄은 천연방사성핵종으로 7개의 동위원소가 존재하는데
토륨계열의 216Po, 212Po와 우라늄 계열의 218>Po, 214Po, 210Po 그리고 악티늄계열의 215Po, 211Po가
존재하는데 반감기 138일의 210Po과 3.1분의 218Po을 제외하고는 1초 이하의 극히 짧은 반감기를 가져 통상 폴로늄 하면 210Po을 말한다.
폴로늄은 강한 화학적 독성을 지니고 있기 때문에 극소량이 인체에 들어간다 하더라도 매우 위험하다. 폴로늄은 우라늄광에서는 발견되지만 짧은 반감기로 자연계에서는 그리 흔하지 않은 원소이다. 일반적으로 라듐이 존재하는 경우
약 0.2%의 폴로늄이 포함되는 것으로 알려져 있다.
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| ② 우라늄(238U, 235U, 234U) | |
| ③ 토륨(232Th) | |
| ④ 라듐(226Ra, 228Ra, 224Ra, 223Ra) | |
| ⑤ 라돈(222Rn, 220Rn, 219Rn) | |
| ⑥ 폴로늄(210Po) | |
