화학과 세특주제로 후쿠시마 삼중수소 내용을 정리해봅니다.
이번 보고서는 화학,화공 및 생명과학 진로에서 화학2 의 유기합성관련 확장된 탐구주제로 가능합니다.
또한 면접대비 시사상식으로도 가능하니 도움되셨으면 좋겠습니다.
삼중수소의 정의
수소는 양자에 전자가 한개
중수소는 양자에 전자1개 중성자 1개
삼주수소는 양자에 전자1개 중성자2개로 이루어져있습니다.
삼중수소의 화학 구조를 더 구체적으로 설명하겠습니다.
수소 원자는 원자핵에 1개의 프로톤이 있는 가장 단순한 원소입니다. 일반적인 수소 원자에는 중성자가 없으며, 이를 프로토늄이라고 부릅니다.
수소의 다른 동위원소인 듀테륨은 원자핵에 1개의 프로톤과 1개의 중성자가 있습니다.
삼중수소, 또는 트리튬은 수소 원자의 동위 원소로 원자핵에 1개의 프로톤과 2개의 중성자가 있는 구조입니다.
이에 따라 삼중수소의 원자량은 약 3amu(Atomic Mass Units)입니다. 전자는 원자핵 주변의 전자 궤도로 이루어져 있습니다.
삼중수소의 전자는 원자핵을 중심으로 수소의 전자오비탈에서 움직이게 됩니다.
화학적 특성은 다른 수소 동위 원소와 유사하므로, 보통 수소와 같은 화합물을 형성할 수 있습니다.
삼중수소는 어떤 경우에든 일반 수소처럼 사용될 수 있습니다(예를 들면 H₂O 대신 T₂O인 물 같은 경우 등).
다만, 그 무거운 원자량과 방사선 발생 능력으로 인해, 삼중수소를 다룰 때에는 상황에 맞는 주의를 기울여야 합니다.
삼중수소, 또는 트리튬(Tritium)은 수소의 한 동위원소로 기호 T 혹은 ³H로 표기 됩니다.
수소의 동위 원소로는 프로토늄(¹H), 듀테륨(²H), 그리고 트리튬(³H)이 있습니다.
트리튬의 구조는 원자핵에 1개의 프로톤과 2개의 중성자를 가지며, 전자는 1개를 가지고 있습니다.
삼중수소의 화학적 특성
삼중수소(트리튬, T 또는 ³H)는 수소의 동위 원소로서, 원자핵에 1개의 프로톤과 2개의 중성자를 포함하고 있습니다.
삼중수소의 화학적 반응은 다음과 같습니다
1. 반응성: 수소와 마찬가지로 삼중수소는 다양한 다른 원소들과 화합물을 형성할 수 있습니다. 그러나 삼중수소는 무거운 수소로, 수소에 비해 상대적으로 반응성이 약간 떨어집니다.
2. 중수와 무거운 물: 삼중수소는 듀테륨과 함께 중수를 형성할 수 있으며, 이때 발생하는 물은 무거운 물이라고 부릅니다. 무거운 물의 물성은 보통 물과 상당히 유사하나, 밀도가 크고 어는점과 끓는점이 다릅니다.
3. 산-염기 반응: 삼중수소는 산-염기 반응에서 프로톤을 주거나 받을 수 있으며, 이러한 반응에서 올가미 수소와 같은 역할을 합니다.
삼중수소의 독특한 화학적 특성 중 하나는 방사능을 띄고 있다는 것입니다.
삼중수소는 베타 방사선을 방출하는데, 이는 전자를 방출하여 헬륨-3(³He)로 변환하는 과정입니다.
이 방사능성은 삼중수소 관련 연구 및 핵융합 에너지 분야에서 활용되지만, 동시에 건강과 안전에 문제가 될 수 있으므로 취급시 주의가 필요합니다.
이처럼 삼중수소는 화학적 특성이 일반 수소와 유사하여 다양한 화합물 형성이 가능하고, 그 중에서도 방사성을 띄는 특성 때문에 연구 및 에너지 분야에서 주목받는 동위원소입니다.
삼중수소의 사용처 정리
삼중수소(트리튬, T 또는 ³H)는 그 방사성 특성과 화학적 특성 때문에 여러 분야에서 사용됩니다. 주요 삼중수소 활용 분야는 다음과 같습니다:
1. 방사선 연구: 삼중수소는 베타 방사선 발생원으로 사용되며 생명과학 분야에서 방사성 표지기로 사용되어 원자를 추적하고 정량하는데 활용됩니다. 이를 통해 생화학적 합성 과정, 효소의 작용, 약물의 작용 메커니즘 등을 연구할 수 있습니다. 또한, 이 분야에서 삼중수소를 사용한 진단 시약 개발 및 세포 분열 연구 등에도 활용됩니다.
2. 핵융합 연구: 삼중수소는 핵융합 에너지 연구에서 근본적인 원료로 사용됩니다. 핵융합은 듀테륨과 삼중수소를 결합하여 헬륨 및 방출되는 중성자를 생성함으로써 에너지를 발생하는 과정입니다. 이 과정은 높은 온도에서 진행되며, 궁극적으로 친환경적이고 잠재력이 큰 에너지원을 제공하기 위해 꾸준히 연구되고 있습니다.
3. 발광물질: 삼중수소-발광 물질 결합체는 시계, 나침반, 비상 표지판 등 제품에서 사용되며, 수십 년 동안 발광 기능을 유지할 수 있는 특성이 있습니다.
4. 과학 연구 도구: 물리학에서 삼중수소를 사용하여 물질의 특성, 중력 이론 및 대기 관측을 연구합니다. 이때, 방사선계를 사용하여 실시간으로 방사선의 양을 측정할 수 있습니다.
5. 환경 모니터링: 삼중수소는 기후 및 대기 연구에서 대기과학자들이 대기 중 물방울의 증발과 응축 과정을 연구하는 중요한 도구로 사용됩니다. 또한, 지하수 및 해양 수질 모니터링에서도 활용되며, 수 자원의 이동과 재생속도를 추적하는데 사용됩니다.
6. 역사 과학: 고대 얼음의 삼중수소 농도를 분석하여 지구의 과거 기후 변화에 대한 정보를 얻습니다. 이렇게 얻은 정보는 고대 지구의 기후 변화에 대한 이해와 미래 기후 예측에 도움이 됩니다.
현재 삼중수소가 발생되는 내용
- 원자력발전소의 중수로에서 핵분열 반응후 생성됨. (2011년~2015년 사이 국내 고리 월성 한울원전에서 나온 유출물중 45~47%가 삼중수소)
- 월성원전의 경우 가압중수로(PHWRs)는 대량의 삼중수소를 생산, 처리공정을 통하여 화학구조의 변화로 처리합니다
- 원자력발전 시 원자로에서 핵분열에 따라 발생하는 열을 제거하기 위해 물을 쓰는데 이때 일반적인 수소 2개와 산소 1개가 결합한 물을 사용하면 경수로
- 일반적인 수소보다 중성자가 1개 더 있어 더 무거운 수소 2개와 산소가 결합한 물을 사용하면 중수로로 구분한다.
원전에서 삼중수소 희석후 방출기준 및 처리방법
현재 국내 중수로 원전의 반응후 삼중수소 집수정에서의 농도는 71만3000베크렐 입니다. 이를 정화장치 및 물과 희석하여 방출시 최농농도는 13베크렐 수준으로 진행된다고 합니다.
- 참고로 국제기준은 리터당 4만 베크렐입니다.
원자력 발전소에서 발생하는 삼중수소(트리튬, T 또는 ³H)를 처리하는 데 주로 사용되는 방법은 ‘삼중수소 분리 공정’입니다.
1. 수소-수 산소 교환 공정 (Hydrogen-Water Isotope Exchange Process) : 이 공정에서는 카탈리스트를 사용하여 수소(H₂)와 삼중수소를 포함한 물에 산-염기 반응을 일으킵니다.
이렇게 함으로써, 이중수소(듀테륨) 또는 일반 수소와 삼중수소 간에 교환 반응이 일어나게 됩니다. 분리되어 생성된 삼중수소 성분을 지속적으로 제거하면서 순환 시스템을 통해 물의 삼중수소 농도를 감소시킵니다.
이 공정은 물에 있는 대부분의 삼중수소를 제거할 수 있지만, 정제 정도에는 한계가 있습니다.
2. 팔라듐(Pd) 기반 분리법: 이 방법을 사용하여 원자로에서 생성된 물에서 삼중수소를 분리합니다. 팔라듐 계열 금속은 삼중수소 같은 수소성분이 포화되어 있고, 세련된 기술에 의해 팔라듐까지 삼중수소가 분리되는 흡착과 모으기 단계를 거치게 됩니다.
이 과정에서 삼중수소 및 듀테륨은 흡착과 동시에 분리되어 수소나 중수소로 인해 이미 포화된 팔라듐에서 다소 분리됩니다.
<바나나등가선량>의미
바나나등가선량(banana equivalent dose: BED)라고 한다.
바나나에 안정적인 칼륨(K-39, K-41)과 함께 불안정한 방사성 핵종인 칼륨(K-40)이 들어있는 것을 고려하여 이해하기 쉽게 설명하는 이론이다.
바나나가 함유하고 있는 칼륨(포타슘) 중 약 0.0017%(100g 기준 칼륨-40 0.00003936g)는 칼륨의 동위원소인 K-40이고, Rn-226도 극미량이 있기에 1개의 바나나는 1시간에 약 0.1마이크로시버트(0.1µSv)의 방사선을 방출한다.
자연계에는 원래 미량의 방사성 동위원소가 존재하기 때문에 이상한 일이 아니다.
바나나로 인해 유의미한 수준의 방사선 피폭을 당하려면, 적어도 10Sv / 0.1μSv = 1억, 즉 24시간 이내에 바나나를 1억 개 이상 먹어야 한다.
후쿠시마에서의 방사선 물질을 제거하는 방법
삼중수소를 제외한 다른 방사능물질은 ALPS 속 이온교환수지를 통과하여 방사선핵종이 이온과 교환하여 제거할 수 있다.
프러시안 블루에 대한 알칼리 금속 이온과의 흡착 성능은 알칼리 금속 이온의 수화상태의 크기와 관련이 있다.
따라서, 알칼리 금속 이온의 흡착능력은 Cs+≫K+≥Na+으로 차이가 생기게 된다.
이는 알칼리 금속 이온 중 프러시안 블루의 격자 구조 크기에 잘 맞는 이온 반경을 갖는 이온과 흡착력이 크게 나타난다(Pau et al. 1990).
알칼리 금속의 이온반경 크기는 Cs+ (1.19)<K+ (1.25)<Na+ (1.84 Å)이며, Cs+의 이온 반경이 가장 작고 프러시안 블루의 격자 구조에 잘맞아 흡착력이 높으며,
이는 프러시안 블루가 세슘을 선택적으로 흡착하는 데 이점이 있다고 말할 수 있다
https://www.ksri.kr/board_files/5/20160203/04b7f72cbca1ec60e290af2b9d6928cc.pdf
마무리
결론적으로 삼중수소를 제외한 나머지 방사선물질은 여과장치를 통해 제거가 가능하다는 발표입니다. 과학적으로 증명은 되었지만 실제 지금도 발생되고 있는 오염수를 근본적으로 처리가능한 방법이 있을지 연구를 해야합니다.
중수소의 경우에도 여과장치를 사용하는것에 한계가 있고, 현재 일본은 여과장치를 사용할 상황이 아닌것으로 판단, 바닷물을 이용한 희석되는 데이터를 감안하여 방류한다는 방침입니다.
물론 계산식으로는 맞을 수 있고, 일상생활에서의 방사는 부분정도라고 발표하고 있습니다.
어민들이 걱정하는 부분은 어류의 체내로 흡수된 삼중수소는 일반적인 10일 이내 배출이 안되기 때문에 먹이사슬의 연계성으로 결국 인간에게 돌아온다는 내용입니다.
각 국가의 입장과 계층의 입장이 정치적이 아닌 과학적인 검증이 필요하고, 자연과 화학의 경계선에서 과학도를 준비하는 학생들의 연구과제로 남게된 점이 무겁기만 합니다.
그러나 해결해야할 분명한 문제이고, 앞으로도 인류발전과 환경을 생각해서 대체에너지 개발을 서둘러야 한다고 생각합니다.
첨부자료
Health risk
☢
assessment
from the nuclear accident
after the 2011 Great East Japan
Earthquake and Tsunami
based on a preliminary dose estimation
https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/78218/9789241505130_eng.pdf
나무위키, 삼중수소의 특성
https://atomic.snu.ac.kr/index.php/%EC%82%BC%EC%A4%91%EC%88%98%EC%86%8C%EC%9D%98_%ED%8A%B9%EC%84%B1
월성 삼중수소 제거시설의 안전 관련 주요 요건에 관한 연구
A Study on the Primary Requirement for the Safety
of the Wolsong Tritium Removal Facility
https://www.kns.org/files/pre_paper/25/290%ED%99%A9%EA%B8%B0%ED%95%98.pdf
