Chemistry/생활 속 화학

핵화학 | 방사능 관리와 폐기물 처리

곰뚱 2021. 4. 4.

모든 나라에서는 원자력 발전소라든지 그 밖의 원자력 시설에 대하여 안전공학 및 안전관리의 면에서 엄중한 사고 방지를 위한 노력이 이루어지고 있다. 원자력 발전소에서 핵연료로 사용한 후 생기는 핵분열 생성물인 재는 재처리된다. 그 중에서 uranium과 이의 생성물인 plutonium은 분리되어 재 이용할 수 있지만, 그 외 다른 방사성 동위원소들은 방사성 폐기물로 남게 된다.

반감기라고 하는 것은 방사성 동위원소가 붕괴하여 처음 양의 절반으로 줄어드는데 걸리는 기간을 말하는데, [표 1]에서와 같이 수명이 짧은 물질도 있지만 대단히 긴 것도 있다. 반감기가 긴 방사성 폐기물이 대량으로 축적되면 그 처리의 문제가 어렵게 된다. 현재는 저준위 폐기물 및 고준위 폐기물은 드럼통이나 특별 용기에 넣어 밀폐시킨 다음 특수하게 설계 시설한 지하 깊은 곳에 보관하고 있다. 그러나 이러한 처리법으로서는 폐기물이 장차 대량으로 축적되면서 오랜 시간이 지나면 용기가 파괴되어 폐기물들이 지하수로 흘러 들어가게 되어 중대한 환경 파괴문제를 일으킬 수 있다는 심각한 우려도 있다.

핵분열생성물	반 감 기	핵분열생성물	반 감 기
⁸⁹Sr	54일	¹³¹I	8일
⁹⁰Sr	27년	¹³⁷Cs	33년

표1 폐기핵 분열 생성물과 그 반감기

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유럽과 미국 등에서는 방사성 폐기물을 glass 원료와 함께 용융하여 화학적으로 안정한 glass의 덩어리로 만든다. 그리고 이것을 납과 스테인레스 강철 상자에 넣은 다음 암염돔에 구멍을 파서 집어넣고 묻어버리는 방법을 연구하고 있다.

우리나라와 같이 좁은 국토에서는 미국과 같은 방법을 이용하기에는 어렵고 또 암염돔도 없다. 그래서 해양에 폐기 처리하는 방법을 이용하고 있는데, 이 방법은 바닷물이 방사성 물질로 오염되면 먹이사슬로 물고기를 통하여 인체에 영향을 주는 것이 걱정된다. 현재 연구중에 있는 과제는 1,000m 쯤의 깊은 우물에 핵 폐기물을 떨어뜨려 처리하는 방법이다. 그 외에 북극의 빙산 속에 뜨거운 폐기물을 녹여 넣거나 로켓으로 태양이나 우주로 발사시켜 제거하는 계획도 갖고 있다. 그러나 위에서 설명한 암염돔 저장법이 안전하므로 가장 유망한 방법이다. 최근에 오스트레일리아의 학자들은 매우 견고한 인조암석을 합성하였고, 핵 폐기물을 이 인조암석에 저장하여 보관할 것을 제안하였다.

대부분의 핵분열 생성물은 매우 빨리 붕괴하지만 그 중에는 반감기가 24,360년 이상 되는 긴 수명을 가진 것도 있다. 생물 조직에 특이하게 농축되는 몇 가지 방사성 원소는 특히 위험도가 높은데 Sr-90(⁹⁰Sr)이 그 대표적인 보기이다. 이 원소의 반감기는 27년이며 뼈속의 칼슘(Ca)과 치환되고 골다공증을 유발한다. 대기중에서 핵실험을 했던 시대에는 방사선 낙하물이 목초를 오염시키고 이 목초를 먹는 소의 우유 중에 90Sr이 농축된다고 해서 크게 걱정하였다. 특히 어린이들은 뼈의 발육이 빠르므로 ⁹⁰Sr의 축적에 대한 위험도가 더욱 높았다.

요오드-131(131I)도 위험성이 있는 방사성 동위원소이다. 그 반감기는 8일로서 짧으나 갑상선에 선택적으로 농축되며 갑상선암을 유발한다. 세슘-137 (¹³⁷Cs)은 33년이란 긴 반감기를 가지며 생체의 필수원소의 하나인 칼륨(K)과 치환될 수 있으므로 전신에 분포한다.

앞서 말한 바와 같이 체르노빌 원자력 발전소 사고로 방사성 동위원소인 ¹³⁷Cs과 ⁹⁰Sr이 대기중으로 확산되었고 북극지방에서도 이들이 발견되었다. 특히 이 원소들은 북극지방의 이끼에서 발견되었는데, 이 이끼를 사슴이 먹어 사슴의 뼈에는 ⁹⁰Sr이, 살고기에는 ¹³⁷Cs이 축적되었다. 에스키모인들은 원래 이 사슴의 살코기만을 먹기 때문에 에스키모인의 근육에서 ¹³⁷Cs만이 농축되었고 뼈에서는 ⁹⁰Sr이 나타나지 않았다.

핵연료로 사용된 후 이 찌꺼기의 재처리 과정에서 생기는 또 다른 문제점은 화학적 불활성을 갖는 방사성 Krypton, Xenon 등의 기체들이 생성되어 대기 중으로 확산되는 것이다. 그리고 핵융합 발전에서 원자핵 중에 1개의 양성자와 2개의 중성자를 갖는 삼중수소인 Tritium(³T=³H)이 수증기 상태로 자연수 중에 흘러들어 점차로 방사능을 농축시키는 것이다.

핵연료 싸이클에서도 많은 문제점들이 있다. 우선 우라늄광의 채굴 그 자체가 위험한 일로 여기서 일하는 광부는 폐암에 걸리기 쉽다. 그 까닭은 우라늄 광산에 포함되어 있는 방사성 원소인 라듐(Ra)이나 라듐이 붕괴하여 생긴 방사성 가스인 라돈(Rn)을 포함한 분진을 흡입하기 때문이다. 그뿐 아니라 우라늄을 꺼낸 다음에 남는 선광 찌꺼기는 가는 입자이므로 바람에 의해서 주변지역으로 날아가 흩어진다. 이 선광 찌꺼기에도 라듐이 포함되어 있으므로 지역 주민에게 위험을 주고 있다.