세슘-137
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1. 개요
세슘-137은 반감기가 약 30년인 방사성 동위원소로, 베타 붕괴를 통해 바륨-137m을 거쳐 바륨-137으로 붕괴하며, 0.662 MeV의 감마선을 방출한다. 자연 상태에서는 극미량 존재하지만, 핵실험, 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고 등의 원자력 사고로 인해 환경에 방출되어 오염을 일으킨다. 세슘-137은 수용성이며 체내에 흡수되면 근육 등 연조직에 축적되어 내부 피폭을 일으키며, 생물학적 반감기는 약 70일이다. 산업, 의학, 지질학 등 다양한 분야에서 활용되지만, 방사선 사고로 인한 환경 오염 및 인체 유해성 때문에 위험 물질로 분류된다.
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| 세슘-137 | |
|---|---|
| 개요 | |
![밀봉된 세슘-137 [[방사성원]]](https://cdn.onul.works/wiki/noimage.png) | |
| 중성자 수 | 82 |
| 양성자 수 | 55 |
| 다른 이름 | 해당 없음 |
| 질량수 | 137 |
| 존재 비율 | 0 (미량) |
| 원소 기호 | Cs |
| 모핵종 | 제논-137 |
| 모핵종 질량수 | 137 |
| 모핵종 기호 | Xe |
| 모핵종 붕괴 방식 | b |
| 붕괴 생성물 | 바륨-137m |
| 붕괴 생성물 질량수 | 137m |
| 붕괴 생성물 기호 | Ba |
| 붕괴 생성물2 | 바륨-137 |
| 붕괴 생성물2 질량수 | 137 |
| 붕괴 생성물2 기호 | Ba |
| 질량 | 136.907 |
| 과잉 에너지 | 해당 없음 |
| 결합 에너지 | 해당 없음 |
| 스핀 | + |
| 붕괴 | |
| 붕괴 방식 1 | β- (베타 붕괴) |
| 붕괴 에너지 1 | 0.5120 |
| 붕괴 방식 2 | γ (감마선) |
| 붕괴 에너지 2 | 0.6617 |
2. 물리화학적 특성 및 생성
세슘-137은 베타 붕괴를 통해 바륨-137m으로 변환되며, 이 과정에서 감마선을 방출한다.[6][7][8] 1그램의 세슘-137은 약 3.215 테라베크렐(TBq)의 방사능을 가진다.
2. 1. 반감기 및 붕괴 과정
세슘-137의 반감기는 30.17년 가량으로 베타 붕괴를 통해 핵 이성체인 바륨-137로 바뀐다. 세슘-137의 붕괴 과정에서 5% 정도는 바로 바륨-137로 바뀌지만, 나머지 95% 정도는 준안정 상태(metastable)인 바륨-137m을 거쳐 안정 상태의 바륨-137로 바뀐다. 바륨-137m에서 바륨-137로 바뀔 때 다량의 감마선을 방출한다.[6][7][8] 1그램의 세슘-137이 방출하는 방사능은 대략 3.215 테라베크렐(TBq) 정도이다.바륨-137m이 방출하는 감마선이 가지는 광자의 에너지는 662 keV로 식품의 방사선요법과 방사선 암 치료 등에 요긴하게 사용된다.[54][55] 세슘-137은 반응성이 높고 세슘-137 염(鹽, salt)은 물에 잘 녹아 다루기 힘들기 때문에 산업용으로 많이 쓰이지는 않는다. 대신 코발트-60이 반응성이 낮고 더 많은 감마선을 방출하기 때문에 더 많이 쓰인다.
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3. 환경에서의 거동 및 위험성
세슘-137은 자연 상태에서는 극미량 존재하지만, 대부분 핵실험과 원자력 사고로 인해 환경에 방출되었다. 체르노빌 원자력 발전소 사고와 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고는 세슘-137의 주요 방출원으로, 환경에 광범위한 오염을 일으켰다.[82][83][84]
세슘-137은 물에 잘 녹는 성질(수용성)을 가지고 있어 환경에서 빠르게 이동하며,[85] 체내에 흡수될 경우 칼륨[15]이나 루비듐[16]과 유사하게 행동한다. 연조직에 주로 축적되며,[16] 생물학적 반감기는 약 70~110일 정도이다.[17][85]
3. 1. 환경 오염
1940년대부터 1960년대 사이의 핵실험 및 핵사고로 인해 상당량의 세슘-137이 환경에 방출되었다. 특히 체르노빌 원자력 발전소 사고와 고이아니아 사고가 주요 방출 사건으로 꼽힌다. 최근에는 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고로 인해 다량의 세슘-137이 유출되었다.과거에는 깊은 바다에 핵폐기물을 버리는 것이 허용되었으며, 현재도 암암리에 이루어지고 있다. 10만 드럼 이상의 고방사성 핵폐기물이 심해저에 버려졌고, 이로 인해 철재 콘크리트 드럼통이 부식되어 방사성 물질이 누출되고 있다. 태평양, 대서양 등 일부 지역에서는 기준치의 200배가 넘는 방사성 물질을 함유한 해산물이 발견되고 있으며, 동해에서도 수심 3,000m가 넘는 지역에 핵폐기물이 투기되었다.
체르노빌 원전 주변의 소개지역(zone of alienation)의 주요 오염 물질 중 하나는 세슘-137이며, 세슘-134, 아이오딘-131, 스트론튬-90 등도 주요 오염 물질이다. 체르노빌 원전 사고 이후 독일의 평균 세슘-137 오염 정도는 2000~4000 Bq/m2였다.[82] 스칸디나비아 지역에서는 체르노빌 원전 사고 26년 후, 일부 순록과 양에게서 노르웨이의 법정 최고치를 넘는 방사능이 검출되기도 했다.
후쿠시마 제1원자력 발전소 사고로 인해 더 많은 양의 세슘-137이 누출되었다. 2011년 7월 후쿠시마현에서 도쿄로 운반된 소 11마리에게서 일본의 법정 최고치를 넘는 세슘-137이 검출되었고,[83] 2013년 3월에는 사고 원전 인근에서 잡은 물고기에서 정부 기준치의 7400배에 달하는 방사성 세슘이 검출되기도 했다.[84] 일본 정부는 후쿠시마 지역의 방사능 오염을 제거하기 위해 노력하고 있으며, 오염된 지역의 연간 노출량을 1mSv까지 낮추는 것을 목표로 하고 있다.
3. 2. 생태계 영향
세슘-137은 먹이 사슬을 통해 생물농축될 수 있으며, 어류, 육류, 유제품 등 다양한 식품에서 검출될 수 있다. 특히 체르노빌 원자력 발전소 사고 이후 스칸디나비아 지역에서는 순록과 같은 야생동물에서 높은 농도의 세슘-137이 검출되기도 했다.[82]후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이후, 2011년 7월 후쿠시마현에서 도쿄로 운반된 소 11마리의 고기에서 일본의 법적 기준치(500 Bq/kg)를 초과하는 1,530~3,200 Bq/kg의 세슘-137이 검출되었다.[31] 2013년 3월에는 원전 인근에서 잡힌 어류에서 정부 기준치(100 Bq/kg)를 크게 넘는 740,000 Bq/kg의 방사성 세슘이 검출되기도 했다.[32]
해양에서는 수심 약 200m 부근의 수온약층(온도 변화가 급격하게 변하는 지점)보다 얕은 해역에 세슘-137이 주로 존재하며, 농도는 비교적 균일하다. 생물농축에 의해 육식성이 높은 어종에서 높은 농축도를 보이는 경향이 있다.[57]
3. 3. 인체 영향
세슘-137은 수용성 유독 물질로, 인체에 흡수되면 근육 등의 연조직에 주로 축적되어 감마선을 방출하며 내부 피폭을 일으킨다.[85] 세슘의 생물학적 거동은 칼륨[15] 및 루비듐과 유사하며,[16] 체내에 들어온 세슘은 신체 전반에 걸쳐 거의 균일하게 분포되지만, 생물농축되지 않고 비교적 빠르게 배출된다.[17]세슘-137은 음식물 섭취를 통해 인체에 들어오는 경우가 대부분이다.[90][91][92][93] 다량의 세슘-137에 노출될 경우 불임, 전신마비, 골수암, 폐암, 갑상선암, 유방암 등을 유발할 수 있다.[90][91][92][93]
세슘-137의 생물학적 반감기는 약 70일이다.[17] 1961년 실험에 따르면 21.5 μCi/g의 세슘-137을 투여받은 쥐의 50%가 30일 이내에 사망했고(LD50은 245 μg/kg),[18] 1972년 실험에서는 개에게 3800 μCi/kg (140 MBq/kg, 또는 약 44 μg/kg)의 세슘-137을 노출시켰을 때 33일 이내에 사망했으며, 절반 용량을 받은 개는 모두 1년 동안 생존했다.[19]
세슘-137 섭취 시 치료제로는 프러시안 블루가 사용된다.[95] 프러시안 블루는 세슘과 화학적으로 결합하여 체외 배출을 촉진시켜 생물학적 반감기를 30일 정도로 단축시킨다.[95]
4. 세슘-137 관련 사고
세슘-137은 인공적으로 생성된 핵종으로, 원자력 사고를 통해 주로 누출된다.[86] 원자력 발전소와 같은 원자력 관련 시설뿐만 아니라, 방사성 물질의 부적절한 관리로 인해 일반 시민이 피폭되는 사고도 발생할 수 있으며, 고이아니아 방사능 유출 사고가 대표적인 예시이다.
세슘-137은 여러 방사능 사고의 원인이 되었으며, 주요 사고들은 다음과 같다.
| 연도 | 사고 발생 위치 | 사고 내용 요약 |
|---|---|---|
| 1986년 | 우크라이나 체르노빌 | 대량의 세슘-137 방출로 광범위한 지역 오염, 유럽 전역에 영향. |
| 1987년 | 브라질 고이아니아 | 버려진 방사선 치료 장비에서 세슘-137 유출, 4명 사망, 다수 부상. |
| 1989년 | 우크라이나 크라마토르스크 | 아파트 벽에서 세슘-137 캡슐 발견, 6명 사망, 17명 피폭. |
| 1994년 | 에스토니아 탐미쿠 | 방사성 물질 도난, 세슘-137 용기 파손으로 1명 사망. |
| 1997년 | 조지아 | 군인들이 방사능 중독 및 화상, 훈련용 세슘-137이 원인. |
| 1998년 | 스페인 아세리녹스 | 재활용 회사에서 감마선 발생기 세슘-137 용융. |
| 2009년 | 중국 산시성 | 시멘트 공장 철거 중 세슘-137 오염된 고철이 제철소로 운반. |
| 2011년 | 일본 후쿠시마 | 대량의 세슘-137 해양 및 대기 방출, 일본 동북부 지역 오염. |
| 2015년 | 노르웨이 트롬쇠 | 교육용 세슘-137 포함 방사성 샘플 8개 분실. |
| 2016년 | 핀란드 헬싱키 | 방사성 폐기물 처리 회사 건물에서 세슘-137 검출. |
| 2019년 | 미국 하버뷰 의료 센터 | 세슘-137 분말 유출, 13명 노출. |
| 2023년 1월 | 서호주 | 운송 중 세슘-137 캡슐 분실, 1,400km 구간 경보, 이후 캡슐 발견. |
| 2023년 2월 | 태국 프라친부리 | 증기발전소에서 세슘-137 캡슐 분실, 제철소 먼지에서 오염 확인. |
| 2024년 | 러시아 하바롭스크 | 방사능 수치 급상승, 결함 탐지기 세슘 캡슐 발견 및 처리. |
원료에 세슘-137이 섞이면 방사성 물질을 포함하는 제품이 생산될 수 있다. 스페인의 아세리녹스(Acerinox)에서 감마선 발생기의 세슘-137을 용융시킨 사례[79][80]와 2009년 중국 섬서성의 시멘트 회사가 오래된 공장을 철거하면서 세슘-137이 섞인 금속 조각을 제철소로 보낸 사례[81]가 있었다.
4. 1. 체르노빌 원자력 발전소 사고 (1986년, 우크라이나)
체르노빌 원자력 발전소 사고에서 대량의 세슘-137이 방출되어 광범위한 지역이 오염되었으며, 유럽 전역에 영향을 미쳤다.[87] 사고 후 수천 명이 사망하고, 40여만 명이 암, 기형아 출산 등 각종 후유증을 앓고 있다.[87] 체르노빌 원전 사고 후 독일의 평균 세슘-137 오염 정도는 2000Bq/m2에서 4000Bq/m2였다.[82] 이것은 1 mg/km2 와 같고 총 약 500 그램이 독일 전역에 퍼져있다. 스칸디나비아지역에서는 체르노빌 원전 사고 26년 후, 일부 순록과 양으로부터 노르웨이의 법정 최고치(3000Bq/kg)를 넘어선 방사능이 검출되었다.[82]핵분열시 발생하는 다른 방사성 동위원소들과는 달리, 세슘의 경우 반감기가 30년, 스트론튬-90은 29년으로 한번 누출되면 오랜 기간 자연에 잔존하며 환경에 나쁜 영향을 미치게 된다.[86]
방사능으로 오염된 공기와 물, 음식 섭취가 직접 몸에 쬐는 것 보다 더 문제인데, 방사선량이 몸에 방사선을 직접 쬐는 것의 수십만 배에서 최고 1조 배까지 클 수 있다. 방사능의 독성은 배설이나 목욕 등으로 없어지지 않으며, 방사능 피폭으로 죽은 사람을 화장해도 방사능은 재 속에 그대로 남는다.[88]
1986년 4월 26일 발생한 체르노빌 원자력 발전소 사고에서 아이오딘-131 1760000TBq, 세슘-137 79500TBq, 제논-133 6500000TBq, 스트론튬-90 80000TBq, 플루토늄 6100TBq 그밖에 10여가지 방사능 물질이 유출되었다.
4. 2. 고이아니아 방사능 유출 사고 (1987년, 브라질)
1987년 브라질 고이아니아의 버려진 병원에서 방치되었던 방사선 치료 장비가 부적절하게 처리되어 폐기물 처리장에서 팔리기 위해 꺼내진 후 부서졌다. 빛을 내는 세슘염은 호기심 많은, 무지한 구매자들에게 팔렸다.[36] 이로 인해 방사능 오염으로 4명이 사망하고 여러 명이 중상을 입었다.[37][38]4. 3. 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 (2011년, 일본)
2011년 3월 11일, 일본 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고로 인해 다량의 세슘-137이 해양과 대기로 방출되어 일본 동북부 지역이 심각하게 오염되었다.[31][32] 2011년 7월, 후쿠시마현에서 도쿄로 운반된 소 11마리의 고기에서 일본 법정 기준치(킬로그램당 500 베크렐)를 크게 초과하는 킬로그램당 1,530~3,200 베크렐의 세슘-137이 검출되었다.[31] 2013년 3월에는 원전 인근에서 잡힌 어류에서 정부 기준치(킬로그램당 100 베크렐)의 7400배에 달하는 킬로그램당 74만 베크렐의 방사성 세슘이 검출되기도 했다.[32]
이 사고로 인해 식품 안전에 대한 우려가 커졌으며, 일본산 수산물 수입 금지 조치가 시행되기도 했다. 2014년 말까지 후쿠시마에서 유래한 방사성 세슘은 북서 태평양 전역으로 확산되어, 일본에서 알래스카 만까지 북태평양 해류를 통해 이동하였다. 이는 표층에서 200미터까지, 그리고 해류 지역 남쪽으로는 400미터까지 측정되었다.[34]
후쿠시마에서 세슘-137은 건강에 가장 큰 위협 요소 중 하나로 보고되었다. 일본 정부는 토양 및 기타 물질에서 세슘의 80~95%를 효율적으로 제거하면서 토양 유기물을 파괴하지 않는 여러 가지 기술(수열 폭파 포함)을 검토했다. 오염된 환경으로부터의 연간 방사선 피폭량을 배경 방사선량보다 1 밀리시버트(mSv) 이하로 줄이는 것을 목표로 하고 있다.[35]
4. 4. 기타 사고
1994년 에스토니아 탐미쿠에서 방사성 물질 도난 사건이 발생했다. 세슘-137 보관 용기가 파손되면서 한 명이 방사능 중독으로 사망했다.[42] 1989년 우크라이나 소비에트 사회주의 공화국 도네츠크주 크라마토르스크(현 우크라이나 도네츠크주)에서는 의료용 캡슐에 들어있던 세슘-137이 아파트 콘크리트 벽 안에서 발견되었다. 이 사고로 9년 동안 6명이 사망하고 17명이 피폭되었다.2009년 중국 산시성의 한 시멘트 회사가 오래된 공장을 철거하면서 방사능 물질 처리 기준을 지키지 않아 세슘-137이 오염된 고철이 제철소로 운반되어 강철에 섞이는 사고가 발생했다.[42]
2015년 3월, 노르웨이 트롬쇠 대학교에서는 교육용 방사성 샘플 8개가 분실되었는데, 여기에는 세슘-137도 포함되어 있었다. 이 샘플들은 아직 발견되지 않았다.[43][44]
2016년 3월에는 핀란드 헬싱키에서 평소보다 1,000배 높은 세슘-137이 검출되었는데, 조사 결과 방사성 폐기물 처리 회사 건물에서 비롯된 것으로 밝혀졌다.[45][46]
2019년 5월에는 미국 하버뷰 의료 센터 연구 건물에서 세슘-137 분말 유출 사고가 발생하여 13명이 노출되었다.[47]
2023년 1월에는 서호주에서 운송 중이던 세슘-137 캡슐이 분실되어 1,400km 구간에 경보가 발령되었고, 2월 1일에 발견되었다.[48][49] 2023년 2월에는 태국 프라친부리의 증기발전소에서 세슘-137 캡슐이 분실되었고, 3월 20일 제철소 용광로 먼지에서 세슘-137 오염이 확인되었다.[50][51]
2024년 4월 5일, 러시아 하바롭스크시에서 방사능 수치가 급상승하여 비상사태가 선포되었다. 결함 탐지기에 사용되던 세슘 캡슐이 발견되어 처리되었다.[52]
5. 세슘-137의 이용
바륨-137m이 방출하는 감마선은 식품 조사에 사용된다.[7] 세슘-137은 반응성이 높고 세슘-137 염은 물에 잘 녹아 다루기 힘들기 때문에 산업용으로 많이 쓰이지는 않는다. 대신 코발트-60이 반응성이 낮고 더 많은 감마선을 방출하기 때문에 더 많이 쓰인다.[8]
5. 1. 산업적 이용
세슘-137은 여러 실용적인 용도로 사용된다. 소량으로는 방사선 검출 장비의 보정에 사용되며,[9] 산업에서는 유량계, 두께 측정기,[9] 수분-밀도 측정기(밀도 측정, 아메리슘-241/베릴륨은 수분 측정 제공),[10] 보어홀 검층 장치에 사용된다.[11]세슘-137은 사용 후 핵연료에서 얻은 세슘에는 안정한 세슘-133과 장수명 세슘-135가 포함되어 있기 때문에 매우 높은 비방사능을 가진 명확하게 정의된 (그리고 작은) 형태의 물질을 얻기 어렵다는 이유로 산업 방사선 사진술에는 널리 사용되지 않는다. 동위 원소 분리는 더 저렴한 대안에 비해 너무 비용이 많이 든다. 또한, 더 높은 비방사능의 세슘 원천은 일반적으로 매우 용해성이 높은 염화세슘(CsCl)으로 만들어지므로, 방사선 사진 원천이 손상될 경우 오염 확산이 증가한다.
5. 2. 의료적 이용
바륨-137m이 방출하는 감마선의 광자 에너지는 662 keV로, 방사선 치료에 사용된다.[9]5. 3. 기타 이용
세슘-137은 여러 실용적인 용도로 사용된다. 소량으로는 방사선 검출 장비의 교정에 사용된다.[9] 이 외에도, 거의 순수한 합성 동위원소인 세슘-137은 와인의 연대를 측정하고 위조품을 감별하는 데 사용되며,[12] 1945년 이후 발생한 퇴적물의 나이를 평가하기 위한 상대 연대 측정 물질로도 활용된다.[13]세슘-137은 토양 침식과 퇴적을 측정하기 위한 지질학적 연구에서 방사성 추적자로 사용되기도 하는데, 미세 퇴적물에 대한 친화력이 이러한 응용에 유용하다.[14]
6. 세슘-137과 한국
북한의 핵실험과 일본 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고로 인해 한국은 세슘-137 오염에 대한 경각심이 높다. 특히, 후쿠시마 원전 오염수 방류 문제는 한일 관계의 주요 쟁점 중 하나이며, 한국 사회의 큰 우려를 낳고 있다.
2011년 후쿠시마 원전 사고 이후, 일본에서 도쿄로 운반된 소 11마리에게서 일본 법정 최고치(500Bq/kg)를 초과하는 1520~3200 Bq/kg의 세슘-137이 검출되었다.[83] 2013년 3월에는 사고 원전 소유주인 도쿄 전력이 발전소 인근에서 잡은 물고기에서 정부 기준치의 7400배에 달하는 74만 Bq/kg의 방사성 세슘을 검출했다고 발표했다.[84]
이에 한국 정부는 식품 및 해양 환경에 대한 방사능 감시를 강화하고 있으며, 관련 연구도 활발히 진행 중이다.
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세슘·방사성 요오드 유출…암 유발 등 심각한 후유증
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