삼중수소수

1. 개요

삼중수소수는 삼중수소(수소의 방사성 동위원소)가 포함된 물을 의미하며, 생명체의 총 체수분 측정에 활용될 수 있다. 삼중수소는 방사성을 띠는 베타 입자 방출체이며, 자연적으로 생성되기도 하지만 핵무기 실험, 원자력 발전소 등 인간 활동으로 인해 발생하여 환경 오염 물질로 간주될 수 있다. 삼중수소는 인체 내에서 짧은 생물학적 반감기를 가지며, 오염되지 않은 물을 마시는 등의 방법으로 체내 삼중수소 농도를 줄일 수 있다.

원자력 시설에서 삼중수소수는 자연 환경으로 배출되며, 각국은 삼중수소의 수질 기준을 다르게 규정하고 있다. 2011년 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고로 발생한 오염수 문제와 관련하여, 일본 정부는 오염수 내 삼중수소수를 해양 방출하는 방침을 결정했고, 처리수 내 삼중수소 총량 계산 및 분리 기술 연구가 진행되고 있다.

2. 응용

삼중수소수는 생명체의 총 체수분을 측정하는 데 활용될 수 있다. 이중 표지수와 달리 이 방법은 섬광 계수에 의존한다.

삼중수소는 주로 액체나 수증기 형태로 환경에 존재하는데, 이를 삼중수소수라고 부른다. 삼중수소수에서 삼중수소만을 분리할 때, 삼중수소수는 일반 물과 화학적 특성이 같으므로 화학적 방법으로는 분리할 수 없지만, 무게가 다르기 때문에 물리적 방법으로 분리할 수 있다.

2.1. 체수분량 측정

삼중수소수는 비교적 빠르게 신체의 모든 구획으로 분배된다. 소변 내 삼중수소 농도는 체내 삼중수소 농도와 비슷한 것으로 추정된다. 삼중수소수의 원래 섭취량과 농도를 알면 체내 수분량을 계산할 수 있다.

* 삼중수소수의 양(mg) = 삼중수소수의 농도(mg/ml) × 체수분량(ml)
* 체수분량(ml) = [삼중수소수량(mg) - 배설량(mg)] / 삼중수소수 농도(mg/ml)

삼중수소수는 유기체의 총 체수분 (TBW)을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이 방법은 섬광 계수에 의존한다. 삼중수소수는 비교적 빠르게 모든 체내 구획으로 분산된다. 소변의 삼중수소수 농도는 체내 삼중수소수 농도와 유사하다고 가정한다. 총 체수분(TBW)은 다음 관계식으로 결정된다.

:$\backslash text\{체수분량\}\; =\; \backslash frac\{\backslash text\{섭취된\; 질량\}\; -\; \backslash text\{배설된\; 질량\}\}\{\backslash text\{농도\}\}$

3. 건강 영향

삼중수소는 저에너지 베타 입자를 방출하는 방사성 물질이다. 내부 피폭을 통해 건강에 영향을 미칠 수 있다. 삼중수소 내부 피폭은 주로 다음 5가지 형태로 발생한다.

* HTO
* 유기 결합형 삼중수소(OBT)
* 삼중수소화 생화학 물질
* 불용성 화합물
* 삼중수소화 가스

핵변환과 동위원소 효과도 삼중수소의 잠재적 방사선 독성에 영향을 줄 수 있지만, 주된 영향은 베타 입자 방출에 의한 에너지 부여이다.

HTO는 인체 내에서 7~14일의 짧은 생물학적 반감기를 가진다. 이는 단일 섭취의 총 영향을 줄이고, 환경으로부터 HTO의 장기적인 생물 축적을 방지한다. 인도 카르나타카 해안 지역의 직업 방사선 작업자를 대상으로 한 자유수 삼중수소의 생물학적 반감기 연구에 따르면, 겨울철 생물학적 반감기는 여름철의 두 배이다.

삼중수소 노출이 의심되거나 알려진 경우, 오염되지 않은 물을 마셔 체내 삼중수소를 대체하고, 땀, 배뇨, 호흡을 통해 배출을 촉진할 수 있다. 단, 탈수나 전해질 불균형을 주의해야 한다.

4. 원자력 시설에서의 배출 및 규제

국제적으로 원자력 시설에서 배출되는 삼중수소는 삼중수소수 형태로 자연 환경으로 방출되고 있다. 1998년부터 2002년까지 영국에서는 매년 약 3페타베크렐의 삼중수소가 방출되었고, 캐나다, 아르헨티나, 프랑스, 스페인, 미국, 독일, 일본, 중국에서도 방출되고 있다. 이 기간 동안 삼중수소 외 방사성 물질의 배출량은 삼중수소의 1%에도 미치지 못하는 수준이다. 이는 국제방사선방호위원회(ICRP)가 삼중수소의 선량계수가 극히 낮고, 인체에 대한 영향도 극히 적다고 판단하기 때문이다. 각국은 선량계수를 바탕으로 방출 허용량을 법률로 정하고, 각 원자력 시설은 이에 따라 방출 계획을 세운다.

미국에서는 65개 원자로 중 48곳에서 삼중수소 누출이 보고된 바 있다. 한 사례에서는 누수된 물에서 리터당 7.5마이크로큐리(280 kBq)의 삼중수소가 검출되었는데, 이는 미국 환경 보호청의 음용수 기준치의 375배에 달하는 양이었다. 2003년 미국 원자력 규제 위원회 자료에 따르면, 정상 운전 중인 56기의 가압수형 원자로는 총 40,600 큐리(1.50 PBq)의 삼중수소를 방출했고(최대 2,080 Ci, 최소 0.1 Ci, 평균 725 Ci), 24기의 비등수형 원자로는 총 665 큐리(24.6 TBq)를 방출했다(최대: 174 Ci; 최소: 0 Ci; 평균: 27.7 Ci). 또한, 미국 환경 보호청은 도시 매립지에 부적절하게 버려진 자발광 출구 표지판이 수로를 오염시키는 것으로 확인했다.

4.1. 각국의 규제 기준

각국의 삼중수소 수질 기준(음용수 및 배수)은 서로 다르다. WHO의 음용수 기준은 10000Bq/l이다. 일본의 배수 기준은 60000Bq/l이다. 미국의 음용수 기준은 740Bq/l이고, 배수 기준은 37000Bq/l이다.

4.2. 대한민국의 상황

대한민국의 원자력 발전소에서는 삼중수소수를 해양으로 방출하고 있으며, 관련 규제 기준을 준수하고 있다. 주변 감시 구역 외의 물 속 삼중수소 농도는 60 Bq/cm³ (= 6×10⁴ Bq/L)를 넘어서는 안 된다. 통상적으로 삼중수소는 해양 생물에 의한 농축 효과가 없는 것으로 알려져 있다. 일반적인 원자력 발전소에서는 연간 약 1~2조 Bq의 삼중수소수를 해양에 방출한다.

5. 후쿠시마 제1 원자력 발전소 처리수 문제

2011년 3월 11일 동일본 대지진으로 발생한 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고는 방사성 물질을 포함한 다량의 오염수 발생이라는 심각한 문제를 야기했다. 사고 수습 과정에서 원자로 냉각을 위해 사용된 물과 지하수 유입 등으로 오염수 양은 계속 증가했고, 이를 처리하는 과정에서 발생하는 삼중수소수, 즉 '처리수'의 해양 방출 문제는 대한민국을 포함한 주변국과 국제사회의 주요 관심사가 되었다.

일본 정부는 2021년 4월 13일, 도쿄전력 후쿠시마 제1 원전의 처리수를 해양 방출하는 방침을 결정했다. 이는 원전 부지 내 저장 탱크 증가로 인한 문제 해결을 위한 조치였다. 일본 정부는 방출될 처리수의 농도가 세계보건기구(WHO)의 식수 수질 가이드라인의 약 7분의 1 수준인 약 1500Bq/L라고 밝혔다.

하지만 후쿠시마현을 비롯한 주변 지역의 수산업계는 소문 피해를 우려하여 해양 방출에 반대하는 입장을 보였다.

5.1. 처리수 내 삼중수소 총량 계산

1초 동안에 붕괴하는 원자핵의 수를 방사능(radioactivity)이라고 한다. 단위 시간당 붕괴하는 확률은 원자핵에 따라 고유한 값이 존재하며, 그 확률을 붕괴 상수(decay constant)라고 부른다. 원자수를 N, 붕괴 상수를 λ라고 하면 다음과 같은 관계가 성립한다.

:$\backslash frac\{dN\}\{dt\}\; =\; -\; \backslash lambda\; N$

우변은 단위 시간당 붕괴하여 감소하는 원자 수이며, 이는 방사능(베크렐 수)의 정의와 같다. 즉,

:（방사능（Bq）） = λN

이다. 따라서, 방사성 동위원소 전체의 총 원자수 N(개)은, 방사능 X(Bq)으로 방사성 붕괴하고 있다고 하면,

:$N\; =\; \backslash frac\{X\}\{\backslash lambda\}$

이 된다.

이러한 생각에 기초하여 처리수에 포함된 삼중수소수의 삼중수소 원자수를 계산한다.

후쿠시마 제1 원자력 발전소 탱크에 포함된 삼중수소 총량은 약 860×10¹²(Bq) (860조 베크렐, 2020년 3월 12일 시점)이고, 삼중수소의 붕괴 상수는 1.784×10^-9(초^-1)이므로,

:$N\; =\; \backslash frac\{860\; \backslash times\; 10^\{12\}\}\{1.784\; \backslash times\; 10^\{-9\}\}\; \backslash fallingdotseq\; 482\; \backslash times\; 10^\{21\}$(개)

이다. 또한, 삼중수소수(HTO) 형태로 존재하는 경우의 질량을 구한다.

계산을 간단하게 하기 위해, 총 원자수를 N = 5.0 × 10²³(개)로 반올림한다. 아보가드로 수가 6.02 × 10²³(mol^-1) 이므로, 탱크에 저장되어 있는 처리수에 포함된 삼중수소 원자의 총 몰수는,

:（후쿠시마 제1원자력 발전소의 탱크에 포함된 삼중수소 원자의 총 몰수）$=\; \backslash frac\{5.0\; \backslash times\; 10^\{23\}\}\{6.02\; \backslash times\; 10^\{23\}\}\; \backslash fallingdotseq\; 0.83(mol)$

이다.

실제로는 삼중수소수(HTO) 형태로 존재하고 있다. HTO의 분자량이 20（H：1＋T：3＋O：16＝HTO：20）이므로, 순수 삼중수소수로 분리했을 경우의 총 질량을 산출하면,

:（후쿠시마 제1원자력 발전소의 탱크에 포함된 순수 삼중수소수의 총량）＝원자량×총 몰수＝20×0.83=16.6(g)

이다.

이와 같이, 처리수를 가상으로 분리할 수 있다고 하더라도, 추출할 수 있는 삼중수소는 삼중수소수 형태로 많게 잡아도 20(g) 정도밖에 존재하지 않는다.

5.2. 처리수 분리 기술

처리수에서 삼중수소수를 분리하는 기술이 연구되고 있으며, 도쿄전력도 실용적인 기술을 모집하고 있다.

킨키 대학 공학부(히로시마현 히가시히로시마시)는 2018년 6월, 물을 미세한 구멍이 있는 알루미늄제 필터에 통과시켜 삼중수소수를 분리하는 장치를 토요 알루미늄 등과 공동 개발했다고 발표했다.