루테늄 동위 원소

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1. 개요
2. 루테늄 동위 원소 목록
- 2.1. 안정 동위 원소
- 2.2. 방사성 동위 원소
  - 2.2.1. 루테늄-106
3. 루테늄의 핵분열 생성물
4. 루테늄 동위 원소의 활용
5. 루테늄 동위 원소 관련 사건 및 사고
참조

1. 개요

루테늄 동위 원소는 원자 번호 44번인 루테늄의 여러 형태를 의미하며, 87Ru부터 120Ru까지의 다양한 질량수를 가진다. 자연 상태에서는 7가지 안정 동위 원소(96Ru, 98Ru, 99Ru, 100Ru, 101Ru, 102Ru, 104Ru)가 존재하며, 96Ru와 104Ru는 관측 안정 동위 원소로 분류된다. 나머지 동위 원소들은 방사성으로, 베타 붕괴, 이성질핵 전이, 양성자 방출 등의 과정을 거쳐 붕괴한다. 특히 106Ru은 핵분열 생성물로, 반감기가 약 373.59일이며, 2017년 유럽에서 대기 중 농도 상승이 감지된 사건과 관련이 있다.

2. 루테늄 동위 원소 목록

루테늄(Ru)은 원자 번호 44번의 원소로, 자연에는 7가지의 안정 동위 원소(⁹⁶Ru, ⁹⁸Ru, ⁹⁹Ru, ¹⁰⁰Ru, ¹⁰¹Ru, ¹⁰²Ru, ¹⁰⁴Ru)가 존재한다. 이 중 ⁹⁶Ru와 ¹⁰⁴Ru는 매우 긴 반감기를 가질 것으로 예상되지만, 아직 붕괴가 관측되지는 않았다. 루테늄은 ⁸⁷Ru부터 ¹²⁰Ru까지 다양한 방사성 동위 원소를 가지며, 이들은 대부분 베타 붕괴(β⁺ 또는 β^-)를 통해 다른 원소로 변환된다. 일부는 이성질핵 전이(IT), 양성자(p) 또는 중성자(n) 방출을 동반하기도 한다.

루테늄 동위 원소 목록
핵종	Z(p)	N(n)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성 동위 원소	핵 스핀	대표적인 동위 원소 조성 (몰 분율)	동위 원소 조성 범위 (몰 분율)
⁸⁷Ru	44	43	86.94918(64)#	50# ms [>1.5 µs]	β⁺	⁸⁷Tc	1/2-#
⁸⁸Ru	44	44	87.94026(43)#	1.3(3) s [1.2(+3-2) s]	β⁺	⁸⁸Tc	0+
⁸⁹Ru	44	45	88.93611(54)#	1.38(11) s	β⁺	⁸⁹Tc	(7/2)(+#)
⁹⁰Ru	44	46	89.92989(32)#	11.7(9) s	β⁺	⁹⁰Tc	0+
^91mRu	44	47	90.92629(63)#	7.6(8) s	β⁺ (>99.9%)	⁹¹Tc	(1/2-)	rowspan=3\|	rowspan=3\|
					IT (<0.1%)	⁹¹Ru
					β⁺, p (<0.1%)	⁹⁰Mo
⁹²Ru	44	48	91.92012(32)#	3.65(5) min	β⁺	⁹²Tc	0+
^93m1Ru	44	49	92.91705(9)	10.8(3) s	β⁺ (78%)	⁹³Tc	(1/2)-	rowspan=3\|	rowspan=3\|
					IT (22%)	⁹³Ru
					β⁺, p (.027%)	⁹²Mo
^93m2Ru	44	49	2082.6(9) keV	2.20(17) µs			(21/2)+
⁹⁴Ru	44	50	93.911360(14)	51.8(6) min	β⁺	⁹⁴Tc	0+
^94mRu	44	50	2644.55(25) keV	71(4) µs			(8+)
⁹⁵Ru	44	51	94.910413(13)	1.643(14) h	β⁺	⁹⁵Tc	5/2+
⁹⁶Ru	44	52	95.907598(8)	관측적으로 안정^[11]			0+	0.0554(14)
⁹⁷Ru	44	53	96.907555(9)	2.791(4) d	β⁺	^97mTc	5/2+
⁹⁸Ru	44	54	97.905287(7)	안정^[12]			0+	0.0187(3)
⁹⁹Ru	44	55	98.9059393(22)	안정^[12]			5/2+	0.1276(14)
¹⁰⁰Ru	44	56	99.9042195(22)	안정^[12]			0+	0.1260(7)
¹⁰¹Ru	44	57	100.9055821(22)	안정^[12]			5/2+	0.1706(2)
^101mRu	44	57	527.56(10) keV	17.5(4) µs			11/2-
¹⁰²Ru	44	58	101.9043493(22)	안정^[12]			0+	0.3155(14)
¹⁰³Ru	44	59	102.9063238(22)	39.26(2) d	β^-	¹⁰³Rh	3/2+
^103mRu	44	59	238.2(7) keV	1.69(7) ms	IT	¹⁰³Ru	11/2-
¹⁰⁴Ru	44	60	103.905433(3)	관측적으로 안정^[14]			0+	0.1862(27)
¹⁰⁵Ru	44	61	104.907753(3)	4.44(2) h	β^-	¹⁰⁵Rh	3/2+
¹⁰⁶Ru	44	62	105.907329(8)	373.59(15) d	β^-	¹⁰⁶Rh	0+
¹⁰⁷Ru	44	63	106.90991(13)	3.75(5) min	β^-	¹⁰⁷Rh	(5/2)+
¹⁰⁸Ru	44	64	107.91017(12)	4.55(5) min	β^-	¹⁰⁸Rh	0+
¹⁰⁹Ru	44	65	108.91320(7)	34.5(10) s	β^-	¹⁰⁹Rh	(5/2+)#
¹¹⁰Ru	44	66	109.91414(6)	11.6(6) s	β^-	¹¹⁰Rh	0+
¹¹¹Ru	44	67	110.91770(8)	2.12(7) s	β^-	¹¹¹Rh	(5/2+)
¹¹²Ru	44	68	111.91897(8)	1.75(7) s	β^-	¹¹²Rh	0+
¹¹³Ru	44	69	112.92249(8)	0.80(5) s	β^-	¹¹³Rh	(5/2+)
^113mRu	44	69	130(18) keV	510(30) ms			(11/2-)
¹¹⁴Ru	44	70	113.92428(25)#	0.53(6) s	β^- (>99.9%)	¹¹⁴Rh	0+	rowspan=2\|	rowspan=2\|
¹¹⁴Ru	44	70	113.92428(25)#	0.53(6) s	β^-, n (<0.1%)	¹¹³Rh	0+
¹¹⁵Ru	44	71	114.92869(14)	740(80) ms	β^- (>99.9%)	¹¹⁵Rh	rowspan=2\|	rowspan=2\|	rowspan=2\|
¹¹⁵Ru	44	71	114.92869(14)	740(80) ms	β^-, n (<0.1%)	¹¹⁴Rh
¹¹⁶Ru	44	72	115.93081(75)#	400# ms [>300 ns]	β^-	¹¹⁶Rh	0+
¹¹⁷Ru	44	73	116.93558(75)#	300# ms [>300 ns]	β^-	¹¹⁷Rh
¹¹⁸Ru	44	74	117.93782(86)#	200# ms [>300 ns]	β^-	¹¹⁸Rh	0+
¹¹⁹Ru	44	75	118.94284(75)#	170# ms [>300 ns]	β^-	?
¹²⁰Ru	44	76	119.94531(86)#	80# ms [>300 ns]	β^-	?	0+

'#' 기호: 실험 데이터로만 완전히 얻어진 값이 아님을 의미한다. 핵 스핀에 논란이 있는 경우 괄호 안에 표시했다.
괄호 안의 값: 마지막 자릿수에 대한 불확정도(표준 편차)를 나타낸다. (IUPAC에서 발표한 동위 원소 조성 및 표준 원자량 제외)

2. 1. 안정 동위 원소

루테늄은 자연에서 7가지 안정 동위 원소를 가진다. ⁹⁶Ru, ⁹⁸Ru, ⁹⁹Ru, ¹⁰⁰Ru, ¹⁰¹Ru, ¹⁰²Ru, ¹⁰⁴Ru가 그것이다. 이 중 ⁹⁶Ru와 ¹⁰⁴Ru는 매우 긴 반감기를 가질 것으로 예상되지만, 아직 붕괴가 관측되지는 않았다.^[11]^[14]

루테늄의 안정 동위 원소
동위 원소	자연 존재비 (몰 분율)	핵 스핀	붕괴 방식 (예상)
96Ru	0.0554(14)	0+	관측 안정^[11]
98Ru	0.0187(3)	0+	안정^[12]
99Ru	0.1276(14)	5/2+	안정^[12]
100Ru	0.1260(7)	0+	안정^[12]
101Ru	0.1706(2)	5/2+	안정^[12]
102Ru	0.3155(14)	0+	안정^[12]
104Ru	0.1862(27)	0+	안정^[14]

2. 2. 방사성 동위 원소

루테늄은 원자번호 44번 원소로, ⁸⁷Ru부터 ¹²⁰Ru까지 다양한 방사성 동위 원소를 가진다. 이 동위 원소들은 대부분 베타 붕괴(β⁺ 또는 β^-)를 통해 다른 원소로 변환되며, 일부는 이성질핵 전이(IT), 양성자(p) 또는 중성자(n) 방출을 동반하기도 한다.

루테늄 방사성 동위 원소
핵종	반감기	붕괴 방식	딸핵종
⁸⁷Ru	50 ms	β⁺	⁸⁷Tc
⁸⁸Ru	1.3 s	β⁺	⁸⁸Tc
⁸⁹Ru	1.38 s	β⁺	⁸⁹Tc
⁹⁰Ru	11.7 s	β⁺	⁹⁰Tc
⁹¹Ru	7.9 s	β⁺	⁹¹Tc
^91mRu	7.6 s	β⁺ (>99.9%), IT (<0.1%), β⁺, p (<0.1%)	⁹¹Tc, ⁹¹Ru, ⁹⁰Mo
⁹²Ru	3.65 분	β⁺	⁹²Tc
⁹³Ru	59.7 s	β⁺	⁹³Tc
^93m1Ru	10.8 s	β⁺ (78%), IT (22%), β⁺, p (0.027%)	⁹³Tc, ⁹³Ru, ⁹²Mo
^93m2Ru	2.20 µs
⁹⁴Ru	51.8 분	β⁺	⁹⁴Tc
^94mRu	71 µs
⁹⁵Ru	1.643 시간	β⁺	⁹⁵Tc
⁹⁷Ru	2.791 일	β⁺	^97mTc
¹⁰³Ru	39.26 일	β^-	¹⁰³Rh
^103mRu	1.69 ms	IT	¹⁰³Ru
¹⁰⁵Ru	4.44 시간	β^-	¹⁰⁵Rh
¹⁰⁷Ru	3.75 분	β^-	¹⁰⁷Rh
¹⁰⁸Ru	4.55 분	β^-	¹⁰⁸Rh
¹⁰⁹Ru	34.5 s	β^-	¹⁰⁹Rh
¹¹⁰Ru	11.6 s	β^-	¹¹⁰Rh
¹¹¹Ru	2.12 s	β^-	¹¹¹Rh
¹¹²Ru	1.75 s	β^-	¹¹²Rh
¹¹³Ru	0.80 s	β^-	¹¹³Rh
^113mRu	510 ms
¹¹⁴Ru	0.53 s	β^- (>99.9%), β^-, n (<0.1%)	¹¹⁴Rh, ¹¹³Rh
¹¹⁵Ru	740 ms	β^- (>99.9%), β^-, n (<0.1%)	¹¹⁵Rh, ¹¹⁴Rh
¹¹⁶Ru	400 ms	β^-	¹¹⁶Rh
¹¹⁷Ru	300 ms	β^-	¹¹⁷Rh
¹¹⁸Ru	200 ms	β^-	¹¹⁸Rh
¹¹⁹Ru	170 ms	β^-	?
¹²⁰Ru	80 ms	β^-	?

¹⁰³Ru(반감기 39.26일)는 베타 붕괴하여 안정한 ¹⁰³Rh으로 변환된다.^[13] ¹⁰⁶Ru(반감기 373.59일)은 베타 붕괴하여 ¹⁰⁶Rh으로 변환된다.

2. 2. 1. 루테늄-106

¹⁰⁶Ru은 반감기가 약 373.59일인 루테늄의 방사성 동위 원소로, 핵분열 생성물이다.^[5]

2017년 9월, 러시아에서 ¹⁰⁶Ru 누출 사고가 발생했다. 누출량은 100~300TBq (0.3~1g)로 추정되었으며,^[7] 우랄 지역에서 발생한 것으로 보인다. 사고 원인은 재진입 위성에서 방출된 것이 아니라 핵연료 주기 시설 또는 방사성 소스 생산 시설에서 비롯된 것으로 결론지어졌다.^[7] 프랑스에서는 공기 중에서 최대 0.036mBq/m³의 ¹⁰⁶Ru 농도가 측정되었으며, 누출 지점에서 수십 킬로미터 거리에서는 비유제품 식품 섭취 제한 기준치를 초과할 수 있다는 예측이 나왔다.^[7]

당시 한국에서도 ¹⁰⁶Ru이 검출되었으나, 인체에 유해한 수준은 아니었다. 당시 야당이었던 더불어민주당은 정부의 늑장 대응을 비판하며 진상 규명을 촉구했다.

3. 루테늄의 핵분열 생성물

루테늄은 핵분열 과정에서 생성되는 주요 동위 원소 중 하나이다. 특히, ¹⁰³Ru (반감기 39.26일)과 ¹⁰⁶Ru (반감기 373.59일)은 핵분열 생성물에서 발견되는 주요 루테늄 동위 원소이다.^[5]

2017년 9월, 러시아에서 ¹⁰⁶Ru이 100~300 TBq (0.3g~1g) 정도 방출된 사건이 있었다. 이 사건은 핵연료 주기 시설 또는 방사성 소스 생산 시설에서 비롯된 것으로 추정된다.^[7] 프랑스에서는 공기 중에서 최대 0.036mBq/m³의 ¹⁰⁶Ru 농도가 측정되기도 했다.

다음은 핵분열 생성물로 생성되는 루테늄 동위 원소와 그 특징을 정리한 표이다.

동위 원소	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성 동위 원소
¹⁰³Ru	39.26d	β^-	¹⁰³Rh
¹⁰⁵Ru	4.44h	β^-	¹⁰⁵Rh
¹⁰⁶Ru	373.59d	β^-	¹⁰⁶Rh
¹⁰⁷Ru	3.75min	β^-	¹⁰⁷Rh
¹⁰⁸Ru	4.55min	β^-	¹⁰⁸Rh
¹⁰⁹Ru	34.5s	β^-	¹⁰⁹Rh
¹¹⁰Ru	11.6s	β^-	¹¹⁰Rh
¹¹¹Ru	2.12s	β^-	¹¹¹Rh
¹¹²Ru	1.75s	β^-	¹¹²Rh
¹¹³Ru		β^-	¹¹³Rh
¹¹⁴Ru	0.53s	β^-	¹¹⁴Rh
¹¹⁵Ru	740ms	β^-	¹¹⁵Rh
¹¹⁶Ru	400ms	β^-	¹¹⁶Rh
¹¹⁷Ru	300ms	β^-	¹¹⁷Rh
¹¹⁸Ru	200ms	β^-	¹¹⁸Rh

이처럼 다양한 루테늄 동위 원소들이 핵분열 과정에서 생성되며, 이들은 핵연료 주기와 원자력 발전에서 중요한 고려 대상이 된다.

4. 루테늄 동위 원소의 활용

루테늄은 여러 동위 원소를 가지며, 이들은 다양한 분야에서 활용된다.

'''안정 동위 원소'''

⁹⁶Ru, ⁹⁸Ru, ⁹⁹Ru, ¹⁰⁰Ru, ¹⁰¹Ru, ¹⁰²Ru, ¹⁰⁴Ru는 안정 동위 원소이다.

'''방사성 동위 원소'''

¹⁰³Ru (반감기 39.26일)는 베타 붕괴하여 ¹⁰³Rh이 되는데, 이 과정에서 방출되는 베타선은 암 치료에 사용될 수 있다.¹⁰⁶Ru (반감기 373.59일)는 베타 붕괴하여 ¹⁰⁶Rh이 된다.^[5] 2017년 9월, 러시아 우랄 지역에서 ¹⁰⁶Ru 100~300 TBq (0.3g~1g) 정도가 방출된 사건이 있었다. 재진입 위성에서 방출된 가능성은 배제되었으며, 핵연료 주기 시설 또는 방사성 소스 생산 시설이 그 원인으로 추정된다. 프랑스에서는 공기 중 최대 0.036mBq/m3의 수치가 측정되었으며, 방출 지점에서 수십 킬로미터 거리에서는 비유제품 식품에 대한 한도를 초과할 수 있다고 추정된다.^[7]

5. 루테늄 동위 원소 관련 사건 및 사고

2017년 9월, 러시아에서 상당량의 루테늄-106((Ruthenium-106^영어))이 누출되는 사고가 발생했다.^[7] 이 사고는 우랄 지역에서 발생한 것으로 추정되며, 누출량은 100~300 테라베크렐(TBq)로, 무게로는 약 0.3~1 그램에 해당한다.

사고 초기에는 인공위성 재진입 과정에서 발생한 것으로 추정되었으나, 이후 조사 결과 핵연료 주기 시설이나 방사성 물질 생산 시설에서 누출된 것으로 결론지어졌다. 프랑스에서는 공기 중에서 최대 0.036 밀리베크렐(mBq/m³)의 루테늄-106이 검출되었으며, 누출 지점에서 수십 킬로미터 이내 지역에서는 식품 섭취 제한 기준치를 초과할 가능성이 있다는 분석이 나왔다.^[7]

이 사고는 한국에도 영향을 미쳤다. 당시 더불어민주당은 정부의 미흡한 대응을 비판하며, 국민 안전을 위한 철저한 조사를 촉구했다.

참조

_[1] 논문 Oxidation-enhanced emission of ruthenium from nuclear fuel https://doi.org/10.1[...] 1995
_[2] 간행물 Ruthenium behaviour in severe nuclear accident conditions https://inis.iaea.or[...] Nordisk Kernesikkerhedsforskning 2004
_[3] 논문 Ruthenium release modelling in air and steam atmospheres under severe accident conditions using the MAAP4 code https://www.academia[...] 2012
_[4] 문서
_[5] 문서 Fission product
_[6] 문서
_[7] 뉴스 Detection of ruthenium 106 in France and in Europe https://www.irsn.fr/[...] IRSN France 2017-11-09
_[8] 웹사이트 http://www.nucleonic[...]
_[9] 문서
_[10] 문서
_[11] 문서
_[12] 문서
_[13] 문서 핵분열 생성물
_[14] 문서

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