코발트-60

1. 개요

코발트-60(⁶⁰Co)은 자연 상태에서 존재하지 않아 인공적으로 생성해야 하는 방사성 동위원소이다. 주로 코발트-59에 중성자를 충돌시켜 원자로 내에서 생산되며, 붕괴 과정을 통해 베타선과 감마선을 방출한다. 코발트-60은 의료 장비 멸균, 방사선 치료, 산업 방사선 사진술 등 다양한 분야에 활용되며, 반감기가 5.27년으로 비교적 긴 편이다. 하지만 높은 감마선 에너지로 인해 인체에 유해하며, 통제되지 않은 폐기로 인한 방사능 오염 사고의 원인이 되기도 한다.

2. 생성

코발트-60(⁶⁰Co)은 자연계에 존재하지 않으므로 인공적으로 만들어야 한다. 코발트-59(⁵⁹Co) 원자에 중성자를 충돌시키는 방법이 사용된다.

:⁵⁹Co + n → ⁶⁰Co

⁶⁰Co는 지구상에 상당량 자연적으로 존재하지 않으므로, ⁵⁹Co 표적에 열중성자원을 충돌시켜 합성한다. 캘리포늄-252는 물을 통해 중성자 감속된 상태로 사용될 수 있으며, 원자로의 중성자속도 마찬가지이다. CANDU형 원자로는 코발트 막대를 제어봉으로 대체하여 ⁵⁹Co를 활성화하는 데 사용될 수 있다. 2010년 기준 미국에서는 홉 크릭 원자력 발전소의 비등수형 원자로에서 생산되고 있다. 여기서는 소량의 연료 집합체를 코발트 표적으로 대체한다. 브루스 원자력 발전소의 ⁶⁰Co를 이용하여 모든 일회용 의료기기의 40% 이상이 멸균된다. 감마선원으로 이용되는 코발트-60은 원자로에서 코발트-59에 중성자를 조사하여 인공적으로 생산된다.

아르헨티나, 캐나다, 인도, 러시아는 세계에서 가장 큰 코발트-60 공급국이다. 2022년 기준 아르헨티나와 캐나다는 발전용 원자로로 중수로만 운영하고 있다. 캐나다는 온타리오주 여러 곳에 CANDU 원자로를, 뉴브런즈윅주에는 포인트 레프로 원자력발전소를 보유하고 있으며, 아르헨티나는 아투차 원자력발전소에 독일에서 공급받은 중수로 두 기와 엠발세 원자력발전소에 캐나다산 CANDU 원자로 한 기를 운영하고 있다. 인도는 라자스탄 원자력발전소에 여러 대의 CANDU 원자로를 운영하여 코발트-60을 생산하고 있다. 인도는 2021년 코발트-60 생산 능력이 6메가퀴리(MCi)를 넘었으며, 라자스탄 원자력발전소에 더 많은 CANDU 원자로가 건설됨에 따라 생산 능력이 증가할 것으로 예상된다. 중수로는 우수한 중성자 경제성과 온라인 연료 교체 기능 덕분에 코발트-60 생산에 특히 적합하다. 온라인 연료 교체 기능 덕분에, 특정 시간이 지난 후에 원자로 심장에 삽입된 표적을 냉각 정지 없이 제거할 수 있다. 또한, 감속재로 사용되는 중수는 경수로의 냉각재보다 일반적으로 온도가 낮아 중성자 속도가 느려지고, 이로 인해 중성자 단면적이 증가하고 원치 않는 (n,2n) "넉아웃" 반응률이 감소한다.

원자력 발전소나 함정용 원자로 운전의 부산물로도 생성되며, 냉각수 누출이나 배출이 발생했을 때 외부에서 검출될 가능성이 있다.

3. 붕괴

코발트-60(⁶⁰Co)은 베타 붕괴를 통해 안정적인 니켈-60(⁶⁰Ni)으로 변환된다. 이 과정에서 방출되는 베타선의 에너지는 0.318 MeV이다. 붕괴 생성물인 ⁶⁰Ni은 들뜬 상태에서 감마 붕괴를 통해 1.17 MeV와 1.33 MeV의 두 가지 감마선을 방출한다.

:^{60}_{27}Co -> ^{60}_{28}Ni\ + {\mathit{e}^-} + \gamma

위 그림은 ⁶⁰Co와 ⁶⁰ᵐCo의 단순화된 붕괴 방식을 보여준다. 주요 β붕괴 전이가 표시되어 있다. β붕괴에 의해 2.1 MeV의 중간 에너지 준위가 채워질 확률은 0.0022%이며 최대 에너지는 665.26 keV이다. 세 준위 사이의 에너지 전달은 여섯 가지 다른 감마선 주파수를 생성한다. 내부 전환 에너지는 주요 에너지 준위보다 훨씬 낮다.

⁶⁰ᵐCo는 10.467분의 반감기를 갖는 ⁶⁰Co의 핵 이성질체이다. 58.6 keV 감마선을 방출하며 내부 전이를 통해 ⁶⁰Co로 붕괴되거나, 낮은 확률(0.22%)로 β붕괴를 통해 ⁶⁰Ni로 붕괴된다.

4. 이용

Cobalt-60^영어은 강한 감마선과 베타선을 방출하는 성질을 이용하여 멸균, 의학, 농업, 공업 등 다양한 분야에서 활용된다. 방사선 육종학, 방사선 생물 물리학, 방사선 화학 등 새로운 학문 분야를 탄생시키기도 했다.

코발트-60의 주요 용도는 다음과 같다.

* 화학 반응에서 코발트 추적자
* 의료 장비 멸균
* 의료 방사선 치료용 방사선원. 코발트 치료는 Cobalt-60^영어 원격치료 장치의 감마선 빔을 이용해 암 치료에 사용된다.
* 산업 방사선 사진술용 방사선원
* 레벨링 장치 및 두께 측정기용 방사선원
* 해충 불임화용 방사선원
* 식품 조사 및 혈액 조사용 방사선원

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물체의 두께와 밀도를 측정하는 산업용 측정기, 방사선 치료, 식물 품종 개량 등에도 이용되고 있다. 제2차 세계 대전 이후에는 용광로의 마모를 조사하기 위해 내화 벽돌에 추적자로 코발트-60이 혼입되기 시작했다.

5. 안전성

코발트-60(Cobalt-60^영어)은 강력한 감마선을 방출하기 때문에 인체에 노출될 경우 심각한 위험을 초래할 수 있다. 1g의 코발트-60은 약 42 TBq의 방사능 활동도를 가지며, 1미터 거리에서 0.35 mSv/(GBq·h)의 흡수선량 상수를 가진다. 예를 들어 2.8 GBq (약 60 μg)의 코발트-60은 1시간 동안 1미터 거리에서 1 mSv의 선량을 발생시킨다.

코발트-60을 섭취하면, 거리가 수 밀리미터로 줄어들어 수 초 이내에 동일한 선량에 도달하게 된다. 코발트-60이 체내에 흡수되면 일부는 대변으로 배출되지만, 나머지는 주로 간, 신장, 뼈 등에 축적되어 장기간 감마선에 노출되면 암을 유발할 수 있다. 흡수된 코발트-60은 시간이 지나면서 소변으로 배출된다.

코발트-60은 강철 제조 과정에 혼입되어 방사능 오염을 일으킬 수 있다. 폐기물 관리 부실로 인해 코발트-60이 철강 제품에 혼입되면, 일반인들이 방사선에 노출될 위험이 있다. 실제로 코발트-60이 혼입된 철스크랩이 재활용되면서 일반인이 방사선에 피폭되는 사고가 여러 차례 발생했다. 이러한 사고들은 코발트-60을 포함한 방사성 물질의 안전 관리가 얼마나 중요한지를 보여준다.

대한민국은 원자력안전법에 따라 코발트-60을 포함한 방사성 물질을 엄격하게 관리하고 있으며, 방사선 안전 관리 시스템을 구축하여 운영하고 있다.

5.1. 관련 사고

1984년 멕시코 시우다드후아레스에서 방사능 오염 사고가 발생했다. 사설 의료 회사가 불법 구매한 방사선 치료 장치가 운영 인력 부족으로 해체되면서 코발트-60이 유출되었다. 유출된 코발트-60은 고철 처리장으로 흘러 들어가 다른 금속과 함께 용융되어 약 6,000톤의 오염된 철근이 생산되었다. 이 철근은 멕시코와 미국에 유통되었고, 약 4,000명이 방사선에 노출된 것으로 추정된다.

2000년 태국 방콕에서는 방사선 피폭 사고가 발생했다. 사용하지 않는 코발트-60 방사선 치료기가 부적절하게 폐기되어 고철 수집상에게 팔렸고, 고철 처리장 직원들이 이를 해체하는 과정에서 방사선에 노출되었다. 이 사고로 10명이 방사선에 노출되었고, 이 중 3명은 6 Gy 이상의 피폭량으로 사망했다.

1983년 대만에서는 코발트-60에 오염된 철근으로 건설된 아파트에서 주민들이 장기간 방사선에 피폭된 사례가 보고되었다. 약 1만 명의 주민들이 9~20년 동안 거주하며 평균 0.4 Sv의 방사선량을 받았다. 일부 연구에서는 이들의 암 사망률이 일반 대중보다 낮아 방사선 호르메시스 모델을 뒷받침한다고 주장했지만, 다른 연구에서는 상반된 결과를 보이기도 했다.

1968년 오키나와 나하항 해저 토사에서 다량의 코발트-60이 검출되어 어류 가격 폭락 및 어시장 공황 사태가 발생했다(｢코발트-60 사건｣). 1969년 류큐 정부는 미 핵잠수함 소드피시가 정박했던 나하 군항 해저 토사에서 코발트-60이 검출되었다고 발표했다. 1973년 일본 국회 내각위원회에서 일본사회당 우에하라 코우스케 의원의 질문에 과학기술청 쿠라모토 마사아키 설명원은 1971년 9월부터 1972년 8월까지 오키나와 항만에서 검출된 코발트-60이 원자력 잠수함의 1차 냉각수에서 유출되었을 가능성이 있다고 답변했다.

2006년 미국 핵잠수함 호놀룰루가 요코스카항 출항 시 채취한 해수 시료에서 코발트-60이 검출되었다.

6. 패리티 보존 위반

1957년, 우젠슝(Chien-Shiung Wu) 등은 β 붕괴가 패리티를 위반한다는 것을 발견하여 자연계에 키랄성이 있음을 시사했다. 우 실험에서 연구자들은 자기장 내에서 저온으로 소스를 냉각하여 ⁶⁰Co 원자핵을 정렬시켰다. 우의 관측 결과에 따르면, 더 많은 β선이 원자핵 스핀과 반대 방향으로 방출되었다. 이러한 비대칭성은 패리티 보존을 위반한다.

7. 기타

코발트-60(⁶⁰Co)은 핵무기에 첨가되어 광범위한 지역을 방사능으로 오염시키는 코발트 폭탄의 재료로 거론되기도 한다. 1970년 영화 《혹성탈출 2(Beneath the Planet of the Apes)》에서 코발트-60은 미사일 핵탄두를 감싸는 물질로 등장한다.

미국 드라마 《9-1-1 (TV 시리즈)》(9-1-1 (TV series))의 한 에피소드에서는 코발트-60(⁶⁰Co)을 불법으로 운반하던 트럭이 소방대원들에게 위험한 상황을 초래한다.