삼중수소

3. 물리적, 화학적 성질

삼중수소(Tritium, ³H)는 수소의 동위 원소 중 하나로, 양성자 1개와 중성자 2개로 구성된 원자핵을 가진다. 자연계에 가장 풍부한 경수소(¹H)나 안정한 중수소(²H)와 달리 삼중수소는 방사능을 띤다.^[73]

삼중수소는 약 12.3년의 반감기를 가지고 베타 붕괴를 통해 헬륨-3(³He)으로 변환된다.^[7] 이 과정에서 비교적 낮은 에너지의 베타 입자(전자)와 전자 반중성미자를 방출한다. 방출되는 베타 입자의 에너지가 낮아 외부 피폭의 위험은 적지만, 삼중수소수(HTO) 등의 형태로 체내에 흡수될 경우 내부 피폭의 위험이 있다. 낮은 에너지 때문에 삼중수소 표지 화합물을 검출하기 위해서는 특수한 방법인 액체 섬광 계수법 등이 필요하다.

물리적, 화학적 성질은 일반적인 수소(경수소, ¹H)나 중수소(²H)와 매우 유사하다. 표준 상태에서 이원자 분자(T₂) 기체로 존재하며, 산소와 결합하여 물과 유사한 삼중수소수(HTO)를 형성한다. 질량이 더 크기 때문에 녹는점, 끓는점 등이 경수소나 중수소보다 약간 높다.^[36] 다른 수소 동위원소처럼 금속이나 플라스틱 등을 비교적 잘 투과하는 성질이 있어 완전히 밀폐하여 보관하기 어렵다.

삼중수소는 핵융합 반응, 특히 중수소와의 핵융합(D-T 반응)에서 중요한 역할을 한다. 이 반응은 다른 핵융합 반응에 비해 비교적 낮은 온도에서 일어나며 높은 반응 단면적을 가지고, 17.6 MeV라는 큰 에너지를 방출하기 때문이다.

• ³H + ²D → ⁴He + n + 17.6 MeV

• ¹⁴N + n → ¹²C + ³H

• ⁶Li + n → ⁴He + ³H

3. 1. 기본 성질

3. 2. 방사성 붕괴

3. 3. 화학적 성질

4. 생성

삼중수소는 중성자 2개와 양성자 1개로 이루어진 수소의 동위 원소이다. 이는 중성자 1개와 양성자 1개로 이루어진 중수소와 구별된다. 중수소 원자 2개를 핵융합시키면 양성자와 함께 삼중수소가 생성될 수 있으며, 이 과정에서 많은 에너지가 방출된다. 생성된 삼중수소는 다시 중수소와 핵융합하여 헬륨과 중성자를 만들면서 에너지를 방출할 수 있다.

삼중수소는 방사성 동위 원소로, 반감기는 국립 표준 기술 연구소(NIST)에 따르면 4,500 ± 8일 (약 12.32 ± 0.02년)이다.^[7] 이는 연간 약 5.5%의 비율로 감소하는 것에 해당한다. 삼중수소는 베타 마이너스 붕괴를 통해 헬륨-3으로 붕괴하며, 이 과정에서 전자와 전자 반중성미자를 방출한다.

:

이 붕괴 과정에서 총 18.6 keV의 에너지가 방출되며, 방출되는 전자의 평균 운동 에너지는 약 5.7 keV이다. 나머지 에너지는 거의 감지하기 어려운 전자 반중성미자가 가져간다. 삼중수소에서 방출되는 베타 입자는 에너지가 낮아 공기 중에서는 약 6mm 정도만 이동할 수 있으며, 사람 피부의 가장 바깥층(죽은 세포층)도 통과하지 못한다.^[8] 이러한 낮은 에너지 때문에 삼중수소 표지 화합물을 검출하는 데는 일반적으로 액체 섬광 계수법이 사용된다.

자연 상태에서 삼중수소는 매우 드물게 존재한다. 대부분의 수소는 양성자 하나로 이루어진 경수소(¹H)이며, 양성자 1개와 중성자 1개로 이루어진 중수소(²H)도 비교적 안정하여 자연계 수소의 약 0.0115%를 차지한다.^[72] 반면 삼중수소는 불안정하여 자연적으로는 미량만 존재하지만, 우주선이 대기와 상호작용하면서 지속적으로 생성되기 때문에 일정량이 항상 존재한다. (자세한 내용은 #자연적 생성 참조) 예를 들어, 체중 60kg 정도인 사람의 몸 안에는 약 50 베크렐(Bq) 정도의 삼중수소가 자연적으로 존재한다.^[73] 지구 환경에서는 주로 산소와 결합하여 삼중수소수(HTO) 형태로 물 속에 섞여 존재한다.

삼중수소는 자연적인 생성 외에도 과거의 핵실험으로 인해 환경에 방출된 양이 아직 남아있으며(방사성 낙진), 원자력 발전소나 재처리 시설 등에서도 인공적으로 생성되어 배출되기도 한다. (자세한 내용은 #인공적 생성 참조) 따라서 현재 지구상에서 관측되는 삼중수소는 자연적 생성, 핵실험 낙진, 시설 기원의 세 가지 주요 경로를 통해 존재한다.

4. 1. 자연적 생성

4. 2. 인공적 생성

미국의 핵무기용 삼중수소는 주로 사반나 리버 핵시설에서 생산되었으며, 1955년부터 1988년까지 약 225kg이 생산되었다. 이후 테네시강 유역 개발 공사가 운영하는 와츠 바 원자력 발전소에서 2002년부터 미국 에너지부(DOE) 국가 핵 안전 보장국(NNSA) 사업으로 핵무기용 삼중수소를 생산하고 있다.

삼중수소의 붕괴 생성물인 ³He은 열중성자와 반응하여 양성자(¹H)와 삼중수소(³H)를 방출하는 매우 큰 단면적(5330 b)을 가지고 있어, 원자로 내에서 빠르게 다시 삼중수소로 변환된다.^[28]

:$\{\}^3\_2\backslash text\{He\}\; +\; \backslash text\{n\}\; \backslash to\; \{\}^1\_1\backslash text\{H\}\; +\; \{\}^3\_1\backslash text\{H\}$

5. 응용

삼중수소는 다양한 분야에서 활용된다. 핵무기에서는 핵융합 반응을 통해 더 높은 핵출력을 얻기 위한 증폭제로 사용된다. 그러나 삼중수소는 붕괴하며 저장이 어렵기 때문에, 많은 핵무기에서는 폭발 시 중성자와 반응하여 삼중수소를 생성하는 리튬을 대신 사용하기도 한다.^[11] 또한, 핵융합 발전 연구에서 중요한 연료로 주목받고 있는데, 특히 중수소와의 D-T 반응은 상대적으로 낮은 조건에서 높은 에너지를 방출하여 실용화 가능성이 높기 때문이다.^[9][58]

수소와 마찬가지로 삼중수소를 완벽하게 가두는 것은 어렵다. 고무, 플라스틱, 일부 강철 등은 삼중수소에 대해 어느 정도 투과성을 가지므로, 핵융합로 등에서 대량으로 사용할 경우 방사능 오염의 가능성을 고려해야 한다.

삼중수소에서 방출되는 약한 베타선은 형광체와 같은 물질을 자극하여 빛을 내게 하는데, 이 원리를 이용한 것이 자가 발광 장치, 이른바 트리튬 라이트이다. 전원 없이 스스로 빛을 내므로 비상구 표시등, 시계 문자판, 화기의 조준기 등 야간 조명 용도로 사용된다. 과거 사용되던 라듐은 방사선 위험성 때문에 삼중수소로 대체되었다.

생물학 및 의학 연구에서는 방사성 추적자로 활용된다. 삼중수소로 표지된 화합물(예: 삼중수소화 티미딘)을 이용하여 세포 증식 분석이나 약물의 체내 동태 연구 등을 수행한다.^[54] 삼중수소가 방출하는 베타선은 에너지가 낮고 비정이 짧아 자동 방사선 촬영법 등에서 높은 해상도를 제공한다.

과거 대기권 핵실험으로 인해 환경 중 삼중수소 농도가 일시적으로 증가했는데, 이는 역설적으로 해양학 연구에 유용한 도구가 되었다. 해수 중 삼중수소 농도 변화를 추적하여 해수의 혼합 및 순환 과정을 연구하는 해양 추적자로 활용된다.^[59] 또한, 비교적 짧은 반감기(12.32년)를 이용하여 수십 년 규모의 지하수 연대 측정에도 사용된다.^[6]

삼중수소는 생산 비용이 매우 높아 1그램당 300만엔(2004년 기준)에 달하기도 하여, 주로 군사적 목적이나 특수 용도 등 고부가가치 분야에 제한적으로 사용된다.

5. 1. 핵무기

• 수율 증가: 증폭되지 않은 경우에 비해 동일한 양의 핵분열 연료로 더 높은 폭발력을 얻는다.
• 가변 수율: 주입하는 융합 연료의 양을 조절하여 폭발력을 조절할 수 있다.
• 핵분열 물질 절약: 매우 비싼 핵분열성 물질을 더 적게 사용할 수 있다.
• 안전성 향상: 인접한 핵폭발에 의한 사전 폭발 위험을 제거한다.
• 소형화 가능: 폭축 설정에 대한 요구 조건이 덜 엄격해져 더 작고 가벼운 고폭약을 사용할 수 있다.

5. 2. 핵융합 연구

• 리튬-6 (⁶Li) 반응: 모든 에너지의 중성자와 반응하지만, 에너지가 낮을수록(특히 열중성자) 반응 단면적이 커진다(900 바른 이상). 이 반응은 4.8 MeV의 에너지를 방출하는 발열 반응이다.^[9]

• 리튬-7 (⁷Li) 반응: 고에너지 중성자가 필요하며, 2.466 MeV의 에너지를 흡수하는 흡열 반응이다. 이 반응은 1954년 캐슬 브라보 핵실험에서 예상보다 높은 핵폭발 위력을 내는 원인이 되면서 발견되었다.^[11]

5. 3. 자가발광 장치

• 총기의 조준경 (야간 조준경, 도트 사이트)
• 시계의 문자판 및 바늘
• 비상구 표지판
• 지도 조명
• 나침반 (예: M-1950 미국 군용 나침반)
• 칼 손잡이
• 열쇠고리 등

5. 4. 생물학 및 의학 연구

5. 5. 기타 응용

• 대양 혼합 속도 측정: 해양 표층과 심층 사이의 물 교환 속도를 측정.^[59]
• 해류 및 해수 순환 연구: 대서양 횡단 추적자(TTO) 프로그램 등에서 삼중수소 데이터를 활용하여 북대서양 심층수(NADW)와 같은 주요 심층 해류의 형성, 이동, 혼합 과정을 정량화했다.^[66] 예를 들어, 래브라도해에서 열대 지방으로 이동하는 심층 서안 경계류에서 삼중수소 농도가 10배 감소하는 현상을 통해 해류의 혼합 및 재순환 과정을 파악했다.^[66]
• 해양 환기 연구: 특정 해역(예: 북대서양, 북태평양, 남극 주변 해역)의 심층수가 얼마나 빠르게 표층수와 교환되는지(환기) 연구.^[59][67][69] 북태평양 연구에서는 삼중수소의 수직 분포를 통해 표층(제1층), 중간층(제2층), 심층(제3층)의 환기 특성을 구분하기도 했다.^[69]
• 특정 해역 연구: 술루 해, 벵골 만, 말라카 해협 등 특정 해역의 삼중수소 농도 분포 및 변화를 조사하여 지역적 해양 특성을 연구했다.^[68]

6. 환경 및 건강 영향

삼중수소는 자연적으로도 존재하지만 핵실험이나 원자력 발전소 운영 과정 등에서 인공적으로 생성되어 환경에 방출될 수 있다. 환경으로 나온 삼중수소는 주로 물의 형태(삼중수소수, HTO)로 존재하며, 일반 물과 거의 동일하게 거동하기 때문에 환경 내에서 쉽게 확산하고 순환한다.^[74][75] 이러한 특성 때문에 지하수의 흐름을 추적하는 데 유용하게 사용되기도 하지만, 환경 오염의 원인이 되기도 한다. 특히 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이후 발생한 대량의 삼중수소 오염수 처리 문제는 국제적인 환경 문제로 부각되었다.^[21]

삼중수소 자체는 에너지가 낮은 베타 입자를 방출하여 외부 피폭의 위험은 매우 낮다.^[8] 피부의 각질층도 통과하지 못하기 때문이다. 그러나 음식물 섭취, 호흡, 피부 접촉 등을 통해 인체 내부로 들어올 경우 내부 피폭을 일으킬 수 있다.^{[38][39][53][40][41]} 체내에 흡수된 삼중수소는 세포 내 DNA와 같은 유전 물질에 영향을 주어 세포 손상이나 유전자 변이를 유발할 가능성이 제기된다.^[44] 또한 식물 등을 통해 유기적으로 결합된 삼중수소(OBT) 형태로 전환되어 먹이 사슬을 따라 농축될 수도 있다.^[43]

삼중수소의 인체 내 생물학적 반감기는 비교적 짧고(약 7일에서 14일)^[53][45], 방출 에너지도 낮아 다른 방사성 동위 원소에 비해 독성이 낮은 것으로 평가되어 왔다. 그러나 고농도 삼중수소에 노출된 작업자의 사망 사례^[77][78] 이후 안전 기준이 강화되었으며, 저선량이라도 장기간 노출될 경우의 잠재적 영향에 대한 연구와 논의가 지속되고 있다.

이러한 환경 및 건강상의 잠재적 위험 때문에 각국은 음용수 등에 포함된 삼중수소 농도에 대한 규제 기준을 설정하여 관리하고 있다.^[49] 그러나 후쿠시마 원전 오염수의 해양 방류 결정^[23][24]과 같이 삼중수소의 환경 방출 문제는 여전히 국제적인 논란의 대상이며, 특히 주변국과의 외교적 마찰을 일으키기도 한다.^[25][26] 국제원자력기구(IAEA)는 일본의 방류 계획이 국제 안전 기준에 부합한다고 평가했지만,^[27] 장기적인 환경 및 건강 영향에 대한 우려는 계속되고 있다.

6. 1. 환경 오염

• '''후쿠시마 원전 사고''': 2011년 사고 이후 대량의 삼중수소 오염수가 발생했다. 2016년 삼중수소 태스크 포스 보고서에 따르면, 당시 부지 내 저장된 오염수(86만 m³)에는 총 760 TBq (삼중수소 2.1g 또는 삼중수소수 14ml 해당)의 삼중수소가 포함되어 있었다.^[21] 일본 정부는 전문가 패널의 검토를 거쳐, 산업적 규모의 분리 기술이 없다는 점 등을 들어 통제된 환경 방류가 최선이라는 결론을 내렸다.^[22] 이에 따라 2023년 8월 24일부터 삼중수소 오염수의 해양 방류를 시작했으며, 이는 수십 년에 걸쳐 진행될 예정이다.^[23][24] 방류되는 물은 삼중수소 농도를 세계보건기구(WHO) 식수 기준치(10,000 Bq/L)보다 훨씬 낮은 1,500 Bq/L 미만으로 희석하여 방류하지만,^[27] 중국 등 주변국은 이에 반발하고 있다.^[25][26] 국제원자력기구(IAEA)는 일본의 방류 계획을 지지한다는 입장을 밝혔다.^[27]

• '''미국 원자력 시설 누출''': 미국 내 65개 원자력 시설 중 48곳에서 삼중수소 누출이 보고되었다. 한 사례에서는 누출된 물의 삼중수소 농도가 리터당 277.5kBq에 달했는데, 이는 미국 환경 보호국(EPA)의 식수 제한치의 375배, 세계 보건 기구 권장 제한치의 28배에 해당하는 높은 수치이다.^[46] 미국 원자력 규제 위원회(NRC)에 따르면, 2003년 한 해 동안 미국의 가압 경수로(PWR) 56기에서 총 1.5PBq (평균 26.8TBq), 비등수형 원자로(BWR) 24기에서 총 24.6TBq (평균 )의 삼중수소가 액체 형태로 배출되었다.^[47] 이는 약 4.207g의 삼중수소에 해당한다.

• '''기타 오염원''': 시립 매립지에 부적절하게 폐기된 자체 발광 비상구 표지판(삼중수소 광원 사용)이 수로를 오염시킨 사례도 보고되었다.^[48] 또한 CANDU 원자로와 같이 중수를 사용하는 원자로는 운전 과정에서 중수소가 중성자를 흡수하여 삼중수소가 다량 생성되며, 캐나다 브루스 원자력 발전소나 한국의 월성원자력발전소 주변 환경에서 삼중수소 농도 증가가 관측되기도 한다.

6. 2. 건강 위험

6. 3. 규제 및 관리

미국의 제한치(740 Bq/L)는 연간 4.0 밀리렘(40 μSv)의 선량을 기준으로 하며, 이는 1963년경 국립 표준국 핸드북 69의 오래된 선량 계산 표준에 기반한다. 이 선량은 자연 방사선 배경(~3 mSv)의 약 1.3%에 해당한다. 업데이트된 국제 방사선 방호 위원회(ICRP) 보고서 30 및 미국 원자력 규제 위원회(NRC) 규정 10CFR20에 따른 계산 표준으로는 740 Bq/L가 연간 0.9 밀리렘(9 μSv)의 선량에 해당한다.^[53]

7. 한국의 관점 및 쟁점

(내용 없음)

7. 1. 후쿠시마 오염수 방류 문제

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