스트론튬-90

3. 생성 및 존재

⁹⁰Sr^영어은 핵분열 생성물이다. 사용후핵연료, 원자로의 방사성폐기물, 핵실험으로 인한 핵낙진에 상당량 존재한다. 자연계에는 거의 존재하지 않지만, 드물게 발생하는 천연 우라늄의 자발핵분열에 의해 미량 존재한다. 현재 환경에서 검출되는 스트론튬-90은 대부분 과거의 핵실험에 의한 방사성 낙진의 잔류물이다.

우라늄-235가 감속 중성자에 의해 핵분열을 일으키면 질량수가 90-100 부근 및 130-145 부근의 핵분열 조각을 생성한다. 이러한 핵분열 조각은 더 큰 질량수의 원자핵에서 유래한 것이므로 일반적으로 중성자 과잉이며, β 붕괴를 반복하여 최종적으로 안정 동위원소로 이동한다. 이러한 핵분열 조각 및 그 β 붕괴 생성물로서 예를 들어 ¹³⁷Cs^한국어, ¹³¹I^한국어, ⁹⁰Sr^한국어 등이 있다.

오늘날의 원자력발전소와 같이 열중성자 핵분열의 경우, 우라늄-235의 핵분열 생성물 수율은 5.7%, 우라늄-233은 6.6%이지만 플루토늄-239는 2.0%에 불과하다.⁹⁰Sr은 중성자 과잉이므로 β붕괴를 통해 ⁹⁰Y^한국어(이트륨)을 생성하며, 이는 다시 β붕괴하여 안정한 ⁹⁰Zr^한국어(지르코늄)이 된다. 순수한 ⁹⁰Sr^한국어은 초기에는 ⁹⁰Y^한국어를 거의 포함하지 않지만 점차 증가하여 약 1개월 정도 후에 방사평형에 도달하고, 약 3900분의 1의 ⁹⁰Y^한국어를 지속적으로 포함하게 된다.

반감기는 28.79년이며, 1그램의 스트론튬-90의 방사능 강도는 5.11×10¹²베크렐이 된다. 그러나 이후 반감기가 짧은(64시간) 딸핵종인 ⁹⁰Y^한국어의 붕괴를 수반하기 때문에 최종적으로는 이의 2배가 된다. ⁹⁰Y^한국어의 β붕괴 에너지는 2279.783±1.619 keV로, ⁹⁰Sr^한국어의 545.908±1.406 keV보다 훨씬 높으며, 더 투과력이 높은 β선을 방출하여 위험성도 높다.

:$\backslash mathrm\{^\{90\}\_\{38\}Sr\backslash \; \backslash xrightarrow\; [28.79\backslash \; years]\; \{\backslash beta^-\backslash \; 0.5459\backslash \; MeV\}\; \backslash \; ^\{90\}\_\{39\}Y\backslash \; \backslash xrightarrow\; [64.053\backslash \; hours]\; \{\backslash beta^-\backslash \; 2.280\backslash \; MeV\}\; \backslash \; ^\{90\}\_\{40\}Zr\}$²³⁵U^한국어의 핵분열에 의해 직접 생성하는 ⁹⁰Sr^한국어의 핵분열 수율은 0.074%에 불과하지만, 다른 질량수 90의 생성물로는 ⁹⁰Kr^한국어(반감기 32.3초)이 핵분열 수율 4.4%로 가장 많이 생성되고, 다음으로 ⁹⁰Rb-m^한국어(0.71%, 반감기 4.3분), ⁹⁰Br^한국어(0.55%, 반감기 1.9초), ⁹⁰Rb^한국어(0.21%, 반감기 2.6분) 등이 있으며, 이들 질량수 90의 단수명 핵종이 β 붕괴하여 ⁹⁰Sr^한국어을 생성한다.^[36]

:$\backslash mathrm\{^\{235\}\_\{\}U\}\; +\; \backslash mathrm\{^\{1\}\_\{\}n\}\; \backslash rightarrow\; \backslash mathrm\{^\{144\}\_\{\}Ba\}\; +\; \backslash mathrm\{^\{90\}\_\{\}Kr\}\; +\; 2\; \backslash mathrm\{^\{1\}\_\{\}n\}$

:$\backslash mathrm\{^\{90\}\_\{36\}Kr\backslash \; \backslash xrightarrow\; [32.3\backslash \; seconds]\; \{\backslash beta^-\backslash \; 4.392\backslash \; MeV\}\; \backslash \; ^\{90\}\_\{37\}Rb\backslash \; \backslash xrightarrow\; [2.6\backslash \; minutes]\; \{\backslash beta^-\backslash \; 6.580\backslash \; MeV\}\; \backslash \; ^\{90\}\_\{38\}Sr\}$

핵분열에 의해 ⁸⁹Sr도 동정도 생성되며, 이것은 더 강한 β 붕괴 에너지 1496.866±2.145 keV를 가지고 방사능 강도도 훨씬 높지만, 반감기가 50.53일로 짧아 더 짧은 기간에 소멸하여 안정한 ⁸⁹Y^한국어가 된다.^[37]

4. 환경 및 생물학적 영향

스트론튬-90(⁹⁰Sr)은 핵실험이나 원자력 발전소 사고 시 발생하는 방사성 물질로, 환경과 생태계에 심각한 영향을 미친다. ⁹⁰Sr은 반감기가 길고 핵분열 생성량이 많아 고농도에서는 매우 위험하며, ⁸⁵Kr, ¹⁰⁶Ru, ¹³⁷Cs 등과 함께 환경에 큰 영향을 주는 방사성 물질로 꼽힌다.^[3]90Sr은 화학적 성질이 칼슘과 유사하여 식물이나 동물 체내에 쉽게 흡수된다. 특히 뼈에 축적되어 잘 배출되지 않으며, 장기간 체내에 남아 골수암, 백혈병 등을 유발하고 유전적 돌연변이를 일으킬 수 있다.^[3] 또한, 유제품, 채소, 육류, 생선 등 먹거리와 식수, 토양을 오염시킨다.⁹⁰Sr은 28.79년의 반감기를 가지며, β⁻ 붕괴를 통해 붕괴 에너지 0.546 MeV를 방출한다. 붕괴 과정에서 전자, 반중성미자와 함께 이트륨 동위원소인 ⁹⁰Y(이트륨-90)이 생성된다. ⁹⁰Y는 다시 64시간의 반감기와 2.28 MeV의 붕괴 에너지를 가지고 β⁻ 붕괴하여 안정한 ⁹⁰Zr(지르코늄)이 된다.^{[4] 90}Sr/Y는 거의 순수한 베타 입자 방출원이며, ⁹⁰Y 붕괴에서 방출되는 감마 광자는 매우 드물어 무시할 수 있다.^[4]90Sr의 비방사능은 5.21 TBq/g이다.^[5]

⁹⁰Sr은 고준위 방사성 폐기물로 분류되며, 자연적으로 붕괴되어 무해한 수준이 되기까지는 수백 년이 걸린다. 오염된 물과 음식을 섭취하면 백혈병과 골암 위험이 증가한다.

조류는 스트론튬에 대한 선택성을 보여 생물학적 복원에 사용될 가능성이 연구되고 있다. 특히, ''Scenedesmus spinosus''(조류)는 스트론튬에 대한 생흡착 능력이 뛰어나 핵 폐수 처리에 유용할 수 있다. 또한, 연못 조류 ''Closterium moniliferum''은 물속 바륨과 스트론튬의 비율을 조절하면 스트론튬 선택성을 높일 수 있다는 연구 결과도 있다.⁹⁰Sr은 뼈에 축적되는 성질 때문에 칼슘과 비슷한 생화학적 작용을 한다.^[3] 섭취된 ⁹⁰Sr의 약 70~80%는 배설되지만, 나머지는 대부분 뼈와 골수에 침착되고, 1% 정도는 혈액과 연조직에 남는다.^[2] 뼈에 침착된 ⁹⁰Sr은 골암, 주변 조직 암, 백혈병을 유발할 수 있다. ⁹⁰Sr 노출은 소변 검사 등 생체검정을 통해 확인할 수 있다.^[3]

인체 내 ⁹⁰Sr의 생물학적 반감기는 다양하게 보고되는데, 14일~600일, 1000일, 18년, 30년, 최대 49년 등으로 알려져 있다. 이는 ⁹⁰Sr의 복잡한 체내 대사 작용 때문이며, 모든 배설 경로를 평균하면 약 18년으로 추정된다. ⁹⁰Sr 배출률은 뼈 대사의 차이에 따라 연령과 성별에 크게 영향을 받는다.⁹⁰Sr은 ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ¹³¹I과 함께 체르노빌 참사 이후 건강에 큰 영향을 미친 주요 동위원소 중 하나이다. 또한, 칼슘 감지 수용체에 대한 친화력이 칼슘과 유사하여 부갑상선 세포에 영향을 미치며, 체르노빌 원전의 액상화 작업자들에게서 일차성 부갑상선 기능 항진증 위험이 증가한 원인으로 설명되기도 한다.⁹⁰Sr은 세슘-137보다 휘발성이 낮아 원자로 사고 시 방출 가능성은 상대적으로 낮지만, 핵무기 방사성 낙진에서는 가장 위험한 성분 중 하나로 간주된다.

체르노빌 사고에서는 약 10 PBq(페타베크렐)의 ⁹⁰Sr이 환경으로 방출되었고, 키슈팀 사고에서는 800 PBq, 후쿠시마 원전 사고(Fukushima Daiichi disaster)에서는 2013년까지 0.1~1 PBq의 ⁹⁰Sr이 태평양으로 방출되었다.

자연 상태에서는 드물게 천연 우라늄의 자발핵분열로 미량 존재하지만, 현재 환경에서 검출되는 대부분의 ⁹⁰Sr은 과거 핵실험에 의한 방사성 낙진의 잔류물이다. 1950~1960년대 활발했던 핵실험으로 인해, 2011년 기준으로 당시 방출된 ⁹⁰Sr의 약 1/4이 여전히 환경에 남아있다.

5. 분석

⁹⁰Sr 및 ⁹⁰Y는 감마선을 거의 방출하지 않아, 화학적 분리 후 베타선을 측정하는 방법으로 분석한다. 일반적인 방법은 시료 용액에서 탄산스트론튬 침전을 생성시킨 후, 염산으로 용해하고 이온교환수지를 사용하여 방해 원소를 분리한다. 그 후, 철(III)염(Fe³⁺)과 암모니아수를 가하여 수산화철(III)과 함께 ⁹⁰Y를 공침시켜 제거한다(스캐빈징). 이 여액을 2주에서 4주 방치하여 ⁹⁰Y를 충분히 생성시킨 후, 다시 철(III)염과 암모니아수를 가하여 수산화철(III)과 함께 ⁹⁰Y를 침전시켜 분리하고(밀킹), 이 ⁹⁰Y의 베타선을 측정하여 ⁹⁰Sr의 양을 산출한다.^[42][43] 공존하고 있던 ⁹⁰Y를 제거하고 다시 생성시켜 측정하는 것은 정확성을 높이기 위함이다.^[44] 다만, 분석 과정에서 작업자가 방사선 피폭될 수 있다.

2013년 후쿠시마 대학 등은 고주파 유도 결합 플라즈마 질량 분석 장치(ICP-MS)를 이용한 신속 분석법을 개발했다. 이 방법은 1검체를 20분 정도로 분석 가능하며, 토양 농도 약 5 Bq/kg 정도가 검출 한계이다. 자동 처리로 작업자의 방사선 피폭을 억제할 수 있다.^[45]

이 외에도 액체 섬광 계수기를 이용하면 4~5일 안에 분석할 수 있다.^[46]

6. 이용

⁹⁰Sr^영어은 고에너지를 방출하고 반감기가 28.7년으로 적당히 길며, 원자로 내에서 핵분열로도 많은 양이 생성되기 때문에 여러 분야에 이용된다.

의료 분야에서는 암 치료와 백혈병 치료 등에 이용되며, 원자력 전지로도 이용된다. 특히 많은 열량과 긴 수명을 요구하는 인공위성 및 우주탐사선의 전지로 이용되는데, 이는 1g의 ⁹⁰Sr^영어이 시간당 0.9W의 에너지를 낼 수 있기 때문이다.

농업과 공업 등 다양한 분야에서도 이용된다. 스트론튬-90의 방사성 붕괴는 상당한 열을 발생시키는데, 순수한 스트론튬 금속 형태에서는 0.95 W/g, 티탄산스트론튬 형태에서는 약 0.460 W/g의 열을 발생시킨다. 이는 대안인 ²³⁸Pu^영어보다 저렴하다. 러시아/소련의 많은 방사성동위원소 열전발전기와 미국의 "센티넬" 시리즈 RTG에서 주로 티탄산스트론튬 형태로 열원으로 사용되었다. 신생 기업인 제노 파워(Zeno Power)는 DOD의 스트론튬-90을 사용하는 RTG를 개발 중이며, 2026년까지 제품 출시를 목표로 하고 있다.

산업적으로는 두께 측정기의 방사성원으로 사용된다.^[2]

의학 분야에서는 일부 암의 표재성 방사선 치료를 위한 방사성 동위원소로 널리 사용된다. 조절된 양의 ⁹⁰Sr^영어과 ⁸⁹Sr^영어은 골암 치료 및 관상 동맥 재협착을 혈관 근접 방사선 치료를 통해 치료하는 데 사용될 수 있다. 또한 의학 및 농업에서 방사성 추적자로도 사용된다.^[2]90Sr^영어은 중공 블레이드 스파를 가진 일부 헬리콥터에서 균열 발생 여부를 나타내는 블레이드 검사 방법으로 사용된다.

1943년 4월, 엔리코 페르미는 로버트 오펜하이머에게 농축 과정에서 나오는 방사성 부산물을 이용해 독일의 식량 공급을 오염시킬 가능성을 제안했다. 당시 독일의 원자폭탄 개발 계획이 상당히 진행된 것으로 우려되었고, 페르미는 원자폭탄이 충분히 빠르게 개발될 수 있을지에 대해 회의적이었다. 오펜하이머는 에드워드 텔러와 이 제안에 대해 논의했고, 텔러는 스트론튬-90을 사용할 것을 제안했다. 제임스 B. 코넌트와 레슬리 R. 그로브스에게도 이 계획이 보고되었지만, 오펜하이머는 50만 명을 사망에 이르게 할 만큼 충분한 식량을 오염시킬 수 있는 경우에만 이 계획을 진행하려 했다.

높은 베타선 에너지와 긴 반감기를 이용하여 우주선, 무인 기상 관측소 및 항해용 부표의 동력원으로 원자력 전지로 응용이 진행되고 있다.

7. 제거

조류를 이용한 생물학적 복원 연구가 진행 중이다. 일부 조류는 스트론튬에 대한 선택적 흡착 능력을 보인다. 그러나 핵폐기물에 사용되는 대부분의 식물은 칼슘과 스트론튬 사이에 선택성을 보이지 않고, 종종 양이 더 많고 핵폐기물에도 존재하는 칼슘으로 포화되는 경우가 많다.

연구자들은 모의 폐수에서 ''Scenedesmus spinosus'' (조류)에 의한 스트론튬의 생체 축적을 조사했다. 이 연구는 ''S. spinosus''의 스트론튬에 대한 매우 선택적인 생흡착 능력을 주장하며, 핵 폐수 처리에 적합할 수 있음을 시사한다.

안정적인 스트론튬을 사용한 연못 조류 ''Closterium moniliferum''에 대한 연구에 따르면, 물속의 바륨과 스트론튬의 비율을 변화시키면 스트론튬 선택성이 향상되는 것으로 나타났다.

참조

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_[2] 웹사이트 Strontium | Radiation Protection | US EPA https://web.archive.[...] United States Environmental Protection Agency 2012-04-24
_[3] 논문 TOXICOLOGICAL PROFILE FOR STRONTIUM http://www.atsdr.cdc[...] Agency for Toxic Substances and Disease Registry 2004-04-00
_[4] 웹사이트 National Nuclear Data Center http://www.nndc.bnl.[...] Brookhaven National Laboratory
_[5] 서적 Radionuclide and Radiation Protection Data Handbook 2002 Nuclear Technology Publishing
_[36] 논문 Fission Product Yields per 100 Fissions or 235U Thermal Neutron Induced Fission Decay LA-UR-94-3106, ENDF-349
_[37] 웹사이트 Nuclide Information 38-Sr-89 http://wwwndc.jaea.g[...] 2011-04-09
_[38] 서적 日本災害史事典 1868-2009 日外アソシエーツ 2010-09-27
_[39] PDF チェルノブイリ原発事故：何が起きたのか http://cnic.jp/files[...]
_[40] 서적 原子核はなぜ壊れるか 丸善 1989
_[41] 서적 ラジオアイソトープ 基礎原子力講座3 コロナ社 1979
_[42] PDF 放射性ストロンチウム分析法 http://www.kankyo-ho[...] 文部科学省 2003
_[43] 서적 分析化学便覧 丸善 1991
_[44] 웹사이트 http://www.jcac.or.j[...]
_[45] PDF 放射性物質ストロンチウム90の迅速分析法の開発 http://www.fukushima[...] 福島大学
_[46] 논문 液体シンチレーションカウンタを用いた排水中{{sup|89}}Sr及び{{sup|90}}Sr迅速分析法 https://doi.org/10.3[...] 2010