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방사능을 잡아라 - 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) - 목록

조회 : 8017 | 2012-06-05

스트론튬과 세슘

후쿠시마 원자력 발전소가 폭발한 이후 자주 등장하는 원소는 스트론튬과 세슘이다. 핵분열에서 생기는 방사성 동위원소 스트론튬-90과 세슘-137이 방사능을 갖는다.

이들이 위험한 것은 전리(전기적으로 중성인 원자에 에너지를 가할 때 원자가 양이온과 자유전자로 분리되는 현상) 작용에 의해 인체 내의 세포에 영향을 미치기 때문이다. 스트론튬은 뼈를 구성하는 주성분인 칼슘과 성질이 비슷하다. 따라서 체내로 들어온 방사성 동위원소 스트론튬-90은 칼슘처럼 뼈에 쌓인다. 이 때 높은 에너지를 갖는 스트론튬은 베타 입자를 방출하면서 전리 작용을 일으켜 골암이나 백혈병을 유발하게 된다.

세슘도 인체 내에서 신경 전달에 중요한 역할을 하는 포타슘(칼륨)과 성질이 비슷하다. 따라서 흡수된 방사성 동위원소 세슘-137은 칼륨 대신에 주로 근육에 농축되어 불임증, 전신마비 그리고 여러 가지의 암을 일으킨다.

 

이이제이

스트론튬, 세슘과 함께 많이 방출되는 방사성 동위원소는 요오드-131이다. 요오드는 인체의 갑상선에 쌓여 갑상선 암을 유발한다. 요오드에 의한 피해를 예방할 수 있을까?

오랑캐로 오랑캐를 견제한다는 사자성어인 ‘이이제이’를 적용하는 것이다. 즉, 부하들을 경쟁시켜 충성심을 유도하거나, 적군과 싸울 때는 다른 적으로 적을 제압하는 것이다.

이것은 방사성 요오드-131에도 적용된다. 즉, 이것이 갑상선에 쌓이기 전에 미리 일반 요오드를 섭취하여 갑상선을 요오드로 채워버리는 것이다. 이 경우 방사성 요오드-131은 쌓이지 않고 그대로 소변과 함께 배출된다. 그렇지만, 우리나라는 미역과 같은 해산물로 요오드를 많이 섭취하기 때문에 따로 섭취하지 않아도 그 양이 충분한 것으로 알려져 있다.

 

  요오드의 섭취

요오드의 섭취

 

5중 방어벽의 핵심 수비수

원자력 발전소의 역할은 전기를 생산하는 것이다. 그러나 전기보다 더 중요한 것은 안전이다. 우라늄의 핵분열에 의해 생긴 방사성 물질의 누출은 인류와 환경에 치명적인 해를 끼친다. 원자로는 만약을 대비해서 방사성 물질을 차단할 수 있는 방호벽이 여러 겹으로 설계되어 있다.

첫 번째 방호벽은 ‘핵연료 펠렛’으로 연료 자체를 말한다. 이것은 우라늄 연료와 가돌리니아를 손가락 한 마디 크기로 가공한 것으로 방사성 물질은 이 펠렛 안에 갇히게 된다.

 

  방어벽

원자로의 오중 방어벽

 

두 번째 방호벽은 핵연료 펠렛을 넣는 ‘연료 피복관’으로 핵연료를 안전하게 보호하며 발생하는 열을 냉각수로 전달한다. 연료 피복관은 고온, 고압의 냉각수에서 오랫동안 사용하기 때문에 부식과 변형에 강한 지르코늄 합금을 사용한다. 특히 지르코늄은 금속 중에서 중성자 흡수 단면적이 가장 작기 때문에, 원자로에 주로 사용한다.

연료 피복관 안에 핵연료 펠렛을 채운 핵연료봉은 280여 개가 한 묶음이며 150 여 개의 묶음이 원자로에 설치된다. 따라서 하나의 원자로 안에는 무려 4만 개 이상의 핵연료 봉이 들어 있는 것이다. 지르코늄 연료 피복관은 3년 마다 한 번씩 교체한다.

세 번째 방호벽은 수십 cm 굵기의 강철 ‘원자로 용기’이다. 연료 피복관이 깨졌을 때 방사성 물질을 차단한다. 여기에는 열을 식히는 많은 양의 물이 들어 있다.

네 번째 방호벽은 원자로 용기를 감싸고 있는 철판을 두른 ‘원자로 건물 내벽’이며, 마지막으로 철근 콘크리트의 ‘건물 외벽’으로 차단하고 있다. 특히 원자로에서 증기가 샐 때 증가하는 압력을 견딜 수 있도록 외벽은 주로 돔 형태로 건설한다. 이처럼 원자로는 안전을 고려하여 방어벽을 치고 있는 것이다.

 

치아를 지켜라

지르코늄 산화물인 지르코니아는 단단하고 내구성이 뛰어나며 열전도율이 낮다. 또한 인공 치아의 소재로 활용된다. 예를 들어 치아를 신경 치료한 후 변색된 치아를 깎아낸 후 지르코니아로 덮어 치아처럼 보이게 한다.

 

체르노빌과 후쿠시마

5중 방어벽은 예상이 가능한 사고에 대한 안전장치이다. 따라서 예상할 수 없었던 사고가 발생할 경우 엄청난 재앙을 가져온다.

1986년의 체르노빌 원자력 발전소 사고는 대표적인 인재였다. 터빈을 시험하던 기술자들은 비상시 자동으로 핵분열을 막는 비상 노심냉각장치를 꺼진 채로 원자로를 가동시켰다. 곧이어 원자로의 핵분열로 발생한 엄청난 열은 냉각수를 수소와 산소로 분해시켰고, 그 압력으로 원자로가 폭발했던 것이다.

이 사고로 유출된 방사성 물질로 수천 명이 사망했으며, 수백만 명이 피해를 입었다. 주변 환경은 황폐해졌으며 발전소에서 반경 32 ㎞ 내에 있는 토양과 지하수원이 방사선에 오염되는 등 최악의 원자력 발전소 사고로 기록되었다.

반면 후쿠시마 원자력 발전소 사고는 대지진 후 지진 해일에 의한 자연재해가 큰 원인이었다. 비상 발전기와 배터리가 침수되면서 긴급노심냉각장치의 전력 공급이 끊겨 핵분열을 제어할 수 없었던 것이다. 예상을 뛰어넘는 자연재해 앞에는 5중 방어벽도 무용지물이었던 것이다.

 

방사능

원자력 발전소 사고의 후유증

 

하프늄을 제거하라

지르코늄과 같은 족 원소인 하프늄은 지르코늄과 매우 비슷하다. 따라서 처음에는 지르코늄에 불순물이 섞인 것으로 여겼다. 그러나 보어는 스펙트럼 분석으로 57번~71번의 란탄족 원소 다음의 72번은 주기율표 상에서 지르코늄의 아래로 예상했다. 그리고 1923년, 코스터(1889~1950)와 헤베시(1885~1966)는 하프늄을 발견했다.

이들의 성질은 비슷하지만 하프늄은 전자가 더 많고 중성자를 잘 흡수해서 원자로의 제어봉에 사용된다. 반면에, 지르코늄은 중성자를 잘 흡수하지 않아 원자로의 연료 피복관로 사용된다. 이처럼 원자로에서의 역할은 매우 다르기 때문에 두 원소는 철저히 분리해야 한다.

원자력 발전은 핵분열에서 생기는 중성자를 적절히 제어해야 한다. 중성자가 핵에 잘 흡수되도록 중성자의 속도를 늦추는 감속재로는 가벼우면서도 산란 단면적이 큰 물이나 중수를 이용한다. 연쇄반응을 제어하는 제어봉으로는 카드뮴이나 붕소를 이용한다.

원자로의 핵연료는 자발적으로 분열하여 중성자를 방출하지만 제어봉이 일부를 흡수하여 핵반응을 제어한다. 즉 제어봉을 연료봉 사이에 깊이 넣으면 반응이 느려진다. 한편 핵반응으로 생긴 열은 물을 가열하고 이 물은 순환하면서 다른 물을 가열시켜 발생한 증기로 발전을 한다.

 

과정

원자력 발전의 과정 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) R. Castelnuovo

 

하프늄 폭탄

원자폭탄과 수소폭탄보다 강력한 무기는 없을까?

이성질핵을 이용한 하프늄 폭탄은 사기로 치부되기도 하지만 새로운 에너지원으로 연구도 되고 있다. 하프늄 폭탄은 가능한가?

이성질핵이란 양성자와 중성자의 수가 같은 핵이 들뜬 상태를 말한다. 이성질핵은 감마선을 방출하면서 빠르게 붕괴하지만, 일부는 천천히 붕괴된다. 특히 하프늄의 이성질핵이 내놓는 에너지는 TNT의 수만 배에 이른다. 따라서 에너지를 내놓는 속도를 조절한다면 비행기가 수개월 동안 비행할 수도 있다.

핵분열은 중성자에 의한 연쇄 반응으로 일어난다. 그렇다면 이성질핵의 연쇄반응을 어떻게 천천히 일어나게 할 수 있을까? 그 답은 아직까지 찾지 못하고 있다.

 

젊어진 지구?

어셔 주교(1581~1656)는 성경을 근거로 지구는 BC 4004년 10월 23일 창조되었으며, 현재 지구의 나이는 약 6,000 살로 추정하였다. 과연 지구의 나이는 몇 살일까?

17~8세기에 지구의 나이에 대한 의문이 생겨났다. 뷔퐁(1707~1788)은 지구가 방출하는 열을 근거로 지구의 나이를 약 십만 년으로 추정했다. 어셔의 주장을 반박하는 이것은 당시로는 획기적이었다.

 

지구

지구의 나이? / 사진 출처 : NASA

 

1859년, 다윈(1809~1882)은 ‘종의 기원’에서 영국의 지질학적 변화는 3억 년 동안 완성되었다고 주장했다. 점차 지구의 나이가 6,000 년 이상이라는 것은 분명해졌으며 켈빈은 4억 년 정도로 추정하였다.

20세기, 방사성 측정으로 지구의 나이는 급격히 늘어났다. 1905년, 볼트우드(1870~1927)는 납이 우라늄 붕괴의 최종 생성물이며 납과 우라늄의 비로 암석의 연대를 결정하는 방사성연대측정법으로 지구의 나이는 22억 년으로 추정하였다.

맨틀대류설을 주장한 홈스(1890~1965)는 우라늄이 납으로 변하는 속도로부터 30억 년으로 주장했다. 그러나 지상의 암석은 지구가 생긴 한참 후에 만들어졌기 때문에 이 방법은 한계가 있었다. 지질학자들은 지구와 함께 태양계가 생길 때 만들어진 운석에 주목했다. 1953년, 패터슨(1922~1995)은 질량분석기로 운석과 지구의 나이가 45억 년이라고 주장하였다.

현재 지구의 나이는 45억 3700만 년이 정설로 받아들여진다. 최근에는 맨틀에 함유된 텅스텐 동위원소로부터 44억 6700만 년으로 추정되었다. 여기서 사용된 원소가 하프늄이다. 방사성 원소인 하프늄은 수백만 년마다 텅스텐으로 바뀌는데, 맨틀의 텅스텐으로부터 지구의 나이를 계산한 것이다.

 

맨틀대류설

현재와 같은 대륙의 모습은 어떻게 형성되었을까?

세계 지도를 살펴보던 베게너(1880~1930)는 남아메리카의 동해안과 아프리카 서해안이 신기하게 일치하는 것을 알았다. 뿐만 아니라 멀리 떨어진 두 대륙에서 동일한 고생물 화석이 발견되었으며, 지질의 구조도 연속적이었다.

베게너는 고생대 말에 하나의 초대륙이었던 판게아가 서서히 분리되어 현재처럼 이동하였다는 대륙이동설을 주장하였다. 그렇다면 대륙을 이동시키는 힘은 무엇일까?

홈스는 맨틀의 대류를 주장하였다. 물통에 나무 도막들을 띄우고 바닥을 가열하면 대류현상에 의해 물이 상승하는 곳에서 나무도막이 서로 멀어지는 것처럼, 뜨거운 맨틀에 의한 대류 현상으로 대륙이 분리되었다는 것이다. 두 판이 멀어지는 곳에는 새로운 지각이 형성된다.

 

모의실험 

지각의 이동에 관한 모의실험

 

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