아이오딘-131

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1. 개요
2. 생산
3. 붕괴
4. 인체에 대한 영향
- 4.1. 치료 및 예방
5. 이용
- 5.1. 의료용
  - 5.1.1. 치료 후 격리
- 5.2. 산업용
6. 사고 이력
7. 대중 문화
참조

1. 개요

아이오딘-131은 방사성 동위원소로, 주로 원자로에서 생산되며 핵분열 생성물이기도 하다. 8.0249일의 반감기를 가지며 베타 붕괴와 감마선 방출을 통해 붕괴한다. 아이오딘-131은 갑상선에 축적되어 갑상선 손상, 방사선 유발 암 등의 위험을 증가시킬 수 있으며, 갑상선 기능 항진증 및 갑상선암 치료, MIBG와 결합하여 갈색세포종, 신경모세포종의 영상 촬영 및 치료에 사용된다. 또한, 누수 탐지 등 산업 분야에서도 활용된다. 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고와 같은 원자력 사고 시 환경으로 유출될 수 있다.

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아이오딘-131
기본 정보
원소 기호	I
질량수	131
원자 질량	130.90612638(65)
중성자 수	78
양성자 수	53
반감기	8.0249일
붕괴 생성물	제논-131
붕괴 방식	β⁻
스핀	7/2+
명칭
다른 이름	방사성 요오드 요오드 131 방사성 아이오딘
방사능 및 의학적 정보
물리적 반감기	8.04일
생물학적 반감기	120-138일 (비결합 요오드)
생체 내 실효 반감기	7.6일 (비결합 요오드)
생산
생산 방법	핵분열 생성물
이용	요오드화나트륨 형태로 생산 의학적 진단 및 치료 목적
의료적 이용
용도	갑상선 기능 항진증 치료 갑상선암 치료
치료 효과	갑상선 세포 파괴
관련 부작용	갑상선 기능 저하증 유발 가능성
환경 및 안전
환경 오염	핵무기 실험 및 원자력 발전소 사고 시 방출 체르노빌 원자력 발전소 사고의 주요 방사성 핵종
인체 영향	갑상선에 축적되어 갑상선암 유발 가능성 증가 특히 어린이에게 위험
방호	요오드화칼륨 투여 (갑상선 보호) 방사능 노출 시 신속한 대처 필요
기타 정보
미국 핵무기 실험 관련	1951년~1957년 사이 핵실험 낙진으로 인한 갑상선암 발생 위험 증가
핸포드 연구 결과	핸포드에서 방출된 요오드-131과 갑상선 질환 사이의 직접적 연관성 관찰되지 않음
참고 자료	UW-L Brachy Course 핸포드 갑상선 질환 연구 보고서 미국 국립암연구소 갑상선암 위험 계산기

2. 생산

아이오딘-131은 주로 원자로에서 천연 텔루륨에 중성자를 조사하여 생산된다. 천연 텔루륨을 조사하면 반감기가 수 시간 이상인 방사성 핵종으로는 아이오딘-131만이 거의 대부분 생성되는데, 이는 대부분의 가벼운 텔루륨 동위원소가 더 무거운 안정 동위원소나 안정적인 아이오딘, 또는 크세논이 되기 때문이다. 그러나 천연 텔루륨 중 가장 무거운 핵종인 텔루륨-130(천연 텔루륨의 34%)은 중성자를 흡수하여 텔루륨-131이 되고, 이는 25분의 반감기로 베타 붕괴하여 아이오딘-131이 된다.^[10]

텔루륨 화합물을 이온 교환 칼럼에 산화물로 결합된 상태에서 조사한 후, 생성된 아이오딘-131을 알칼리성 용액으로 용리할 수 있다.^[10] 더 일반적인 방법으로는 분말 형태의 텔루륨 원소를 조사한 후, 증기압이 훨씬 높은 아이오딘을 건식 증류하여 아이오딘-131을 분리한다. 그런 다음 이 원소를 약알칼리성 용액에 용해하여 아이오딘화물과 하이포아이오딘산염(곧 아이오딘화물로 환원됨) 형태의 아이오딘-131을 생성한다.^[11]

아이오딘-131은 핵분열 생성물이며, 우라늄-235의 수율은 2.878%이다.^[12] 핵무기 실험과 원자력 사고에서 방출될 수 있다. 그러나 반감기가 짧아 냉각된 사용후핵연료에는 상당량이 존재하지 않는데, 아이오딘-129의 반감기는 아이오딘-131의 거의 10억 배이기 때문이다.

일부 원자력 발전소에서 소량이 대기 중으로 방출되기도 한다.^[13]

3. 붕괴

¹³¹I는 8.0249(6)일의 반감기를 가지고 베타 마이너스 및 감마선 방출을 통해 붕괴한다. 이 아이오딘 동위 원소는 핵에 78개의 중성자를 가지고 있는 반면, 유일한 안정 동위원소인 ¹²⁷I는 74개의 중성자를 가지고 있다. ¹³¹I는 붕괴될 때, 대부분의 경우(89%) 971 keV의 붕괴 에너지를 사용하여 두 단계를 거쳐 안정적인 제논-131로 변환되는데, 베타 붕괴 직후 감마 붕괴가 빠르게 일어난다.

:

{^{131}_{53}\mathrm{I}} \rightarrow \beta + \bar{\nu_e} + {^{131}_{54}\mathrm{Xe}^*}

'''+ 606 keV'''

:

:

{^{131}_{54}\mathrm{Xe}^*}  \rightarrow {^{131}_{54}\mathrm{Xe}} + \gamma

'''+ 364 keV'''

따라서 ¹³¹I 붕괴의 주요 방출은 최대 에너지가 606 keV인 전자(89% 풍부도, 다른 것들 248–807 keV)와 364 keV 감마선(81% 풍부도, 다른 것들 723 keV)이다.^[14] 베타 붕괴는 또한 반중성미자를 생성하는데, 이는 베타 붕괴 에너지의 가변적인 양을 가져간다. 전자는 평균 에너지가 높기 때문에(190 keV, 전형적인 베타 붕괴 스펙트럼 존재) 조직 투과 깊이가 0.6mm~2mm이다.^[15]

4. 인체에 대한 영향

아이오딘은 체내에 흡수되면 갑상선에 우선적으로 집중된다. 이는 갑상선 기능 유지에 필요하기 때문이다. 방사성 낙진 등으로 인해 환경에 ¹³¹I 농도가 높으면, 오염된 음식물을 통해 흡수되어 갑상선에 축적될 수 있다. ¹³¹I가 붕괴하면 갑상선에 손상을 입힐 수 있으며, 방사선 유발 암, 비암성 종양, 갑상선염의 위험이 증가한다.^[3]

특히 노출 당시 나이가 어릴수록 갑상선암 발생 위험이 커진다. 성인의 경우, 역학자들은 유사한 수준으로 노출된 그룹과 노출되지 않은 그룹 간에 통계적으로 유의미한 갑상선 질환 발생률 차이를 감지하는 데 어려움을 겪었다.^[3]^[17]

요오드 보충제를 복용하면 체내 요오드 총량을 높여 방사성 요오드의 흡수 및 체류량을 줄여 위험을 완화할 수 있다. 그러나 체르노빌 원자력 발전소 사고 당시 사고 현장 인근 주민들에게는 이러한 보충제가 일관되게 분배되지 않았다.^[18] 반면 폴란드에서는 아동들에게 요오드제가 널리 분배되었다.

미국에서는 1950년대와 1960년대 초, 지상 핵무기 실험으로 인해 오염된 우유를 섭취한 어린이들에게서 ¹³¹I 낙진량이 가장 높았다.^[6] 국립암연구소(National Cancer Institute)는 낙진에 의한 ¹³¹I 노출의 건강 영향에 대한 추가 정보^[19]와 함께, 1971년 이전에 태어난 사람들을 위해 미국 내 3070개 카운티 각각에 대한 개별 추정치를 제공한다. 이 계산은 네바다 핵실험장(Nevada Test Site)에서 실시된 핵무기 실험으로 인한 낙진 데이터를 기반으로 한다.^[20]

1951년부터 1962년까지 네바다 핵실험장에서 실시된 모든 대기 중 핵실험으로 인한 미국 본토의 1인당 갑상선 방사선량

2011년 3월 27일, 매사추세츠 주 보건부는 미국 매사추세츠주에서 채취한 빗물 샘플에서 매우 낮은 농도의 ¹³¹I가 검출되었으며, 이는 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고에서 유래한 것일 가능성이 있다고 보고했다.^[21] 발전소 근처 농부들은 원유를 버렸고, 미국 내 검사에서 우유 샘플 1리터당 0.8 피코퀴리의 요오드-131이 발견되었지만, 방사능 수치는 FDA의 "개입 수준"보다 5,000배 낮았다.^[22]

베타 붕괴에 의한 작용으로, 수 mm 떨어진 세포까지 투과하여 돌연변이 및 세포 사멸을 일으킨다. 따라서 고선량 방사선은 때때로 저선량 방사선보다 위험성이 적다. 그 때문에 갑상선 조직을 파괴하는 경향이 있으며, 결과적으로 암의 원인이 된다. 예를 들어, 중등도 선량의 요오드-131을 사용하여 갑상선종을 치료받은 어린이에게서 갑상선암의 증가가 관찰되었지만, 훨씬 고선량으로 치료받은 어린이에게서는 그렇지 않았다.^[50]

4. 1. 치료 및 예방

방사성 동위원소인 아이오딘-131에 노출되면 갑상선에 축적되어 질병을 일으킬 수 있다. 이를 예방하기 위해, 김이나 다시마 등에 존재하는 안정적인 아이오딘-127을 섭취하여 갑상선을 미리 포화시키는 방법이 있다. 이를 통해 방사성 아이오딘이 갑상선에 쌓이는 것을 막을 수 있다. 아이오딘-131에 노출된 후 아이오딘-127을 투입하더라도 빠르게 방어 효과를 볼 수 있으며, 6시간 이내에 투입하면 50%의 효과를 얻을 수 있다.^[79]

아이오딘제는 아이오딘-131이 갑상선에 축적되는 것을 막는 역할을 한다. 비방사성 아이오딘제를 100~200mg 정도 섭취하면 98% 이상 막을 수 있다. 예를 들어, 1정당 50mg의 아이오딘화칼륨 3정 정도를 먹거나 건조 다시마 40g (24시간 피폭 예방이 가능한 아이오딘 100mg 함유) 정도를 섭취하면 된다.^[80]

요오드산염 염 형태로 안정적인 아이오딘-127으로 갑상선을 포화시키는 것이 일반적인 요오드-131 노출 예방 치료법이다.

하지만 아이오딘은 갑상선호르몬의 필수 구성 성분이기 때문에 과도하게 복용하면 갑상선기능항진증, 갑상선염, 갑상선암, 자가면역성 갑상선질환 등이 발생할 수 있다.^[81] 따라서 갑상선암 환자들은 미역이나 다시마 섭취를 제한해야 한다.

이미 갑상선암에 걸려 갑상선을 절제한 경우, 남아있는 갑상선 세포를 제거하기 위해 아이오딘-131을 섭취하기도 한다.

식품 속 요오드는 대부분 갑상선에 축적되는데, 이는 갑상선이 기능을 유지하기 위해 요오드를 필요로 하기 때문이다. 방사성낙진 등으로 환경에 고농도의 요오드-131이 존재할 경우, 섭취하는 식품을 통해 갑상선에 축적될 가능성이 높아진다. 이는 갑상선에 손상을 줄 수 있다. 고농도의 요오드-131 섭취 시 주로 방사선으로 인한 지연성 갑상선암의 위험이 있지만, 양성종양이나 갑상선 비대의 가능성도 제기된다.^[57]

체내 요오드 농도를 높여 방사성 요오드의 흡수와 축적을 상대적으로 줄임으로써 갑상선암의 위험을 감소시킬 수 있다. 체르노빌 원자력 발전소 사고 당시 폴란드에서는 아동에게 요오드제를 배포했지만, 체르노빌 주변 지역에서는 배포되지 않아 피해가 커졌다.^[58]

미국에서는 1950년대부터 1960년대 초반까지 지상 핵실험의 영향으로, 방사능에 오염된 목초를 먹은 소의 우유를 섭취한 아동들에게서 요오드-131 축적이 현저하게 나타났다.^[59]

5. 이용

아이오딘-131은 의료용과 임상 실험에서 사용된다. 짧은 시간에 강한 방사선을 내뿜기 때문에 갑상선 암 치료와 악성 림프종과 같은 종양 또는 암세포를 처리하는 전신-표적 치료 등에 대표적으로 이용된다.

또한, 아이오딘-131은 1951년 독일 뮌헨의 상수도 시스템 누수 위치를 파악하는 데 처음 사용된 이후, 동위원소 수문학 및 누수 탐지에 활용되는, 가장 흔하게 사용되는 감마선 방출 방사성 추적자 중 하나가 되었다.^[39]^[40]^[41]^[42] 1940년대 후반부터 석유 산업에서 방사성 추적자를 사용해 왔으며, 요오드화나트륨 수용액에서 가장 널리 사용되는 표지 동위원소였다.^[43]^[44]^[45] 이는 수압 파쇄 유체의 특성을 파악하고, 수압 파쇄에 의해 생성된 균열의 주입 프로파일과 위치를 결정하는 데 사용된다.^[46]^[47]^[48]

5. 1. 의료용

아이오딘-131은 핵의학에서 비봉입 방사선 치료에 사용되는 방사성 동위원소이다. 특히 갑상선 기능 항진증(그레이브스병)과 갑상선암 치료에 효과적이다. 1941년 솔 허츠가 그레이브스병으로 인한 갑상선 기능 항진증 치료에 방사성 요오드를 처음 사용했으며, 일반적으로 400~600 메가베크렐(MBq)의 용량이 경구 투여된다.^[25]

갑상선 절제술 후 남아있는 갑상선 조직을 제거하고 갑상선암을 치료하기 위해 고용량의 아이오딘-131이 사용되기도 한다.^[27] 또한 메타요오드벤질구아니딘(MIBG)과 결합하여 갈색세포종 및 신경모세포종의 영상 촬영 및 치료에도 사용된다.^[63] 이러한 치료에서 아이오딘-131은 베타 방사선을 통해 조직을 파괴한다.

아이오딘-131은 감마선도 방출하기 때문에 치료 후 진단 스캔에서 관찰될 수 있다. 그러나 진단 목적으로만 사용되는 경우는 드물며, 주로 치료적 용량 투여 후 영상 촬영에 사용된다.^[24] 과거에는 생산이 쉽고 저렴하여 진단 목적으로도 사용되었으나, 현재는 주로 감마선을 방출하는 아이오딘-123이 진단 검사에 사용된다.

아이오딘-131의 치료 원리는 갑상선 세포가 요오드를 흡수하는 성질을 이용하는 것이다. 아이오딘-131은 갑상선에 축적되어 베타선을 방출하여 갑상선 세포를 파괴한다.

5. 1. 1. 치료 후 격리

아이오딘-131 방사성 요오드 치료를 받은 환자는 한 달 동안(또는 투여량에 따라 더 짧은 기간) 성관계를 갖지 말라는 경고를 받으며, 여성의 경우 그 후 6개월 동안 임신하지 말라는 지침을 받는다. 이는 방사능이 축적되는 양이 적고 방사성 요오드 치료로 인한 실제 위험에 대한 의학적 증거가 없더라도, 발달 중인 태아에 대한 이론적 위험이 존재하기 때문이다.^[33] 이러한 예방 조치는 방사능에 대한 태아의 직접적인 노출을 없애고 방사성 요오드에 노출되어 이론적으로 손상되었을 수 있는 정자로 인한 임신 가능성을 현저히 줄일 것이다.^[33] 이러한 지침은 병원마다 다르며 국가 법률 및 지침과 투여되는 방사선량에 따라 달라진다. 일부 병원에서는 방사선량이 여전히 높을 때 어린아이를 안거나 껴안지 말라고 조언하기도 하며, 다른 사람과 1~2미터 거리를 유지하도록 권장할 수도 있다.^[34]

I-131은 투여 후 몇 주에 걸쳐 체내에서 제거된다. 대부분의 I-131은 자연 붕괴와 땀 및 소변을 통한 배설을 통해 3~5일 이내에 인체에서 제거된다. I-131을 사용하여 생성된 갑상샘 호르몬이 체내에서 처리됨에 따라 소량은 향후 몇 주에 걸쳐 계속 방출된다. 이러한 이유로 치료를 받은 사람이 사용한 화장실, 싱크대, 침구 및 의류를 정기적으로 청소하는 것이 좋다. 환자는 항상 슬리퍼나 양말을 신고 다른 사람과의 장시간의 밀접한 접촉을 피하도록 조언을 받을 수도 있다. 이렇게 하면 특히 어린이를 포함한 가족 구성원의 우발적인 노출을 최소화할 수 있다.^[35] 방사성 요오드 제거를 위해 특별히 제작된 오염 제거제를 사용하는 것이 좋을 수 있다. 염소 표백제 용액이나 염소 표백제가 포함된 세척제를 사용하여 청소하는 것은 권장되지 않는데, 방사성 원소 요오드 가스가 방출될 수 있기 때문이다.^[36] 공기 중 I-131은 2차 노출의 위험을 증가시켜 광범위한 지역에 오염을 확산시킬 수 있다.

많은 공항에는 방사성 물질 밀반입을 감지하기 위한 방사선 검출기가 있다. 환자는 ¹³¹I 치료 후 최대 95일 동안 항공 여행을 할 경우 공항에서 방사선 검출기가 작동될 수 있다는 경고를 받아야 한다.^[37]

5. 2. 산업용

1951년 독일 뮌헨의 상수도 시스템 누수 위치를 파악하는 데 처음 사용된 아이오딘-131은 동위원소 수문학 및 누수 탐지에 활용되는, 가장 흔하게 사용되는 감마선 방출 방사성 추적자 중 하나가 되었다.^[39]^[40]^[41]^[42]

1940년대 후반부터 석유 산업에서 방사성 추적자를 사용해 왔다. 지표면에서 표지된 물은 적절한 감마선 검출기를 사용하여 지하에서 추적되어 유량을 결정하고 지하 누수를 감지한다. 아이오딘-131은 요오드화나트륨 수용액에서 가장 널리 사용되는 표지 동위원소였다.^[43]^[44]^[45] 이는 수압 파쇄 유체의 특성을 파악하고, 수압 파쇄에 의해 생성된 균열의 주입 프로파일과 위치를 결정하는 데 사용된다.^[46]^[47]^[48]

6. 사고 이력

1986년 체르노빌 원자력 발전소 사고에서는 아이오딘-131이 1760000TBq 대량 방출되어^[49] 광범위한 지역이 방사능에 오염되었다.

2011년 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고에서도 아이오딘-131이 방출되었다. 2011년 3월 16일, 후쿠시마 현지 재해대책본부의 수돗물 간이검사 결과, 물 1kg에서 아이오딘-131 177베크렐(Bq), 세슘-137 58Bq이 검출되었다. 당시 일본 원자력안전위원회가 정한 섭취 기준은 물 1kg당 아이오딘 300Bq, 세슘 200Bq였다.^[78]

1950년대 야외 핵실험, 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 등에서 아이오딘-131은 인체 건강에 막대한 영향을 미치는 물질로 알려져 있다.^[49]

7. 대중 문화

미국 CBS TV 시리즈 ''페리 메이슨''에서 장기간 소량의 아이오딘-131을 사용하여 사고력과 판단력을 저해하는 독극물로 사용되는 내용이 나온다.

참조

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