원전이 터지면 어떤 영향을 주는가? 이 질문에 대한 해답은 정말 어렵다. 변수가 너무 많기 때문이다. 그러나 변수가 많다고 해서 전혀 추정하지 못하고 그냥 기다릴 수 없다. 누구나 이해하는 내용은 원전이 터진 장소 (spot) 에 가까울수록 원전 폭발에 의한 영향 (직접적 폭발, 방사능 등) 은 높을 것이라는 것이다. 너무도 당연해 보이는 이 현상은 물질은 공간을 이동하거나 같은 시간을 공유하고 있다는 아주 철학적인 내용에서 시작한다. 그리고 두번째는 외부에서 다른 영향이 없다면 물질은 높은 농도에서 낮은 농도로 확산되고 물리적 자연 상태에서는 낮은 농도에서 높은 농도로 진행할 수 없다는 것이다. 물론 자연 상태에서 낮은 농도에서 높은 농도로 이동할 수 있는 방법이 존재한다. 바로 자연의 생물체에 의해서 특정 물질 예를 들어 패류 등은 자신의 껍질을 만드는데 칼슘 및 각종 무기 물질을 높은 농도로 유지하고 보관할 수 있다.
물질은 무엇으로 이루어져 있는가?
방사능이 위험한지 아닌지 혹은 우리가 먹을 수 있는 어패류 등이 우리 건강에 해가 되는지 아닌지를 알기 전에 우선 먼저 알아야 하는 것이 바로 방사능이 무엇인지 알아야 할 것이다. 실제로 방사능 (radioactivity) 이란 물질이 무엇인가를 자발적으로 (spontaneous) 내놓을 수 있는 능력이다. 그러나 방사능이 물질에서 어떻게 발생하는지를 알고 나서 방사능에 대한 정의는 다음과 같다.
Radioactivity is the spontaneous emission of radiation from the nucleus of an unstable atom called an isotope. ; 방사능이란 동위원소 (isotope) 라는 불안정한 상태의 원자의 원자핵에서 발생하는 자발적인 (외부의 에너지 유입없이) 방사선의 방출이다.
결국 방사능의 본질을 찾기 위해서는 방사능의 정의에 나타난 몇개의 친숙한 단어에 대해서 찾아보아야 한다. 바로 원자, 원자핵, 동위원소 등과 같은 것이다. 고등학교 시절 소위 이과 / 문과로 분류되면서 다소 교과과정이 다르긴 했지만 그래도 기본적인 과학에 대한 내용은 같을 것이라고 생각했는데 대학교 시절 대학 후배들 중 문과를 나온 친구들이 “물질이 무엇으로 이루어져 있는가?” 라는 질문에 전혀 대답하지 못하는 것을 보고 충격을 먹은 적이 있다. 그래서 아주 기본적이지만 그래도 방사능을 알기 위해서 아주 기본적인 내용부터 시작하는 것이 필요하다는 생각이 들었다. 두려움은 무지함 (ignorance) 보다 알듯 말듯한 안개같은 지식 때문에 (foggy knowledge) 에 의해 만들어 지기 때문에…
우주의 모든 물질 (알려진) 은 모두 우리의 과학적 발견이 옳다면 모두 원자로 이루어져 있다. 원자 (atom) 이란 물질을 이루는 가장 기본적인 단위라고 불린다. 물론 소립자 물리학까지 가면 이 말도 사실은 아니다. 원자는 원자핵 (nucleus) 와 전자 (electron) 으로 이루어져 있다. 아주 가벼운 개념으로 중심 원자핵이 있고 그 주변을 원자핵이 도는 궤도 (orbit) 형태의 모양을 상상하면 좋다. 그러나 사실 이 또한 사실에 가까운 모델 (model) 은 아니지만 방사능을 설명하는데 별 부담(!)이 없기 때문에 궤도 형태의 원자핵 / 전자 모형을 상상하면 될 것 같다. 주변의 노트북, 핸드폰 마시고 있는 커피 뿐만 아니라 내 몸, 내 배설물 모두 다 원자로 이루어져 있다. 그렇다면 금 목걸이의 금과 애물 반지의 다이아몬드 모두 원자인데 어떤 특정 물질로 구별이 되는 이유는 무엇일까?
원자핵을 들어다 보다.
모든 물질은 모두 원자로 이루어져 있지만 금 목걸이와 다이아몬드가 다른 이유는 원자핵의 크기가 다르기 때문이다. 즉, 금은 금이요 다이아는 다이아이다 라고 말할 수 있고 이것은 물이고 저것은 우유다 말할 수 있는 이유는 그 물질을 구성하고 있는 원자의 원자핵의 구성이 다르기 때문이다. 원자핵은 두가지로 크게 이루어져 있다. 첫번째는 전기적으로 중성인 중성자 (neutron) 과 전기적으로 양의 성질 (positive; +) 을 가지는 양성자 (proton) 이다. 즉, 원자핵을 구성하는 중성자와 양성자의 숫자에 따라서 어떤 물질은 금이 되고 어떤 물질은 다이아몬드가 될 수도 있는 것이다.
그렇다면 원자핵을 구성하는 두 소립자, 양성자와 중성자는 어떤 힘으로 묶여 있는가? 라고 질문하면 순간 전자기력을 말하는 사람이 있지만 전기적으로 중성인 중성자는 해당사항이 안된다. 다음 대답은 만유인력 혹은 중력을 말하지만 결론적으로 두 입자들은 인력을 가지기에는 거의 소용없는 질량을 가지고 있다. 결론적으로 핵력 (강한핵력) 이란 힘의 종류로 존재하며 이 핵력의 중심적 역할을 하는 입자가 필자가 사용하는 meson (중간자) 의 역할이다. 간단하게 모든 물질은 원자로 이루어져 있고 그 원자가 우리에게 친숙한 물질적 (material) 성질을 나타내는 가장 기본적 구분은 원자핵의 크기 (중성자, 양성자의 개수) 가 좌우하며 그 원자핵은 강한핵력이란 힘에 의해서 묶여 있다.
물질, 원소 그리고 화학적 결합
주변의 물질을 살펴보자. 금 (gold) 은 원자핵에 양성자가 79개 존재한다. 그렇다면 중성자는 얼마나 있을까? 화학시간에 배운 주기율표를 아는 사람이라면 이를 찾아서 금의 원자량이 약 197 이기 때문에 197-79 해서 118개가 아닐까 대답할 수 있지만 이는 적절한 대답이 아니다. 금과 다이아몬드를 구별하는 가장 기본적인 기준은 중성자의 수가 아니라 양성자의 수이다. 극단적으로 79개의 양성자만 존재하고 중성자가 전혀 없다고 해도 (물론 이런 상태를 만드는 것은 현실상 불가능하다) 금의 성질을 가진다. 즉, 양성자의 숫자가 바로 금을 금답게 만드는 첫번째 요소이다. 금의 안정된 상태의 원자는 양성자 79 개, 중성자 118개를 가진다. 원자핵은 양성자 +79 만큼의 전기적 성질을 가지고 있기 때문에 자연상태의 금은 특별한 일이 없다면 원자핵 주변에 양성자 숫자와 동일한 79개의 전자를 가지게 되어서 원자 전체를 보면 전기적 중성을 가진다.
잘 알고 있지만 물은 수소 2개와 산소 1개로 구성된 분자 (molecular) 이다. 물이라는 물질의 성질을 가지는 가장 작은 단위를 말한다. 즉, 물을 물이라 말할 수 있는 가장 작은 단위는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 만나 결합된 물 분자이다. 물 분자의 구성원인 수소와 산소로 분리하면 더이상 물이 아니다. 이처럼 모든 물질은 기본적인 단위가 존재한다. 물과 같이 아주 작은 형태의 분자도 있고 아주 혈액 속의 항체 (antigen) 도 수많은 원자들이 결합하여 만들어진 하나의 물질이다. 그러나 항체도 그 구성을 살펴보면 몇개의 탄소, 몇개의 수소, 몇개의 질소 등 아주 복잡한 물질조차도 기본적인 원소들의 다양한 조합으로 구성되어 있다. 그 조합의 가능성 때문에 물질의 다양성이 만들어진다. 아무리 복잡한 물질도 그 구성을 조사하면 산소, 질소, 탄소와 같은 기본적인 요소 물질로 분석할 수 있다. 이들을 보통 원소 (elements) 라 부른다. 원소는 물질을 이루는 구성요소이기도 하고 금처럼 자체적으로 안정하다면 원소 자체가 그대로 존재할 수 있다. 그러나 앞서 살펴본 것처럼 원자핵은 어느정도 강하게 묶여 있다고 해도 전자들은 자유롭게 빠지기도 하고 더해지기도 한다. 만약 산소 원자 (양성자: 6개) 에 전자가 두개개 더해지면 산소 원자 하나는 -2 의 전기적인 음성을 가지게 된다. 반대로 수소원자 (양성자: 1개) 의 경우 전자가 1개 빠지면 수소 원자는 +1 의 전기적 양성을 가지고 플러스 / 마이너스 관점이 아닌 전기학적 끌림 (인력) 으로 생각하면 산소 원자 하나 (-2) 와 수소 원자 두개 (-1 x 2) 는 결국 중성이 된다.
이처럼 화학적 결합이란 다양한 원소들의 결합에 의해서 안정된 상태로 진행하려는 과정이다. 주기율표상의 원소 그리고 산소는 왜 전자가 2개가 더 들어오기 쉬운지 등은 화학시간에서 배울 수 있고 자연의 모든 물질이 반응하는 방향성은 바로 가능하면 안정된 상태로 가고 싶어한다… 는 것이다. 이런 이유로 자연 상태에 철을 내 놓으면 철 (양성자: 26개) 이 산소 원자와 만나서 녹스는 것은 철이 전혀 결합하지 않은 순수한 형태의 철보다 산소와 결합된 산화철 (2O3Fe) 상태가 더 안정적이란 뜻이다. 즉, 자연계의 자발적인 (spontaneous) 방향은 바로 안정화를 찾아가는 과정이다. 자발적인… 이란 표현을 앞에서 본 것 같다. 방사능을 설명하는 과정에서 말이다. 짧은 결론이지만 결국 방사능도 자연계 상태에서 안정화를 찾아가는 과정에서 발생하는 현상이다.
질량이 다른 원자핵들 ; 동위원소
대충 방사능이란 정의를 통해서 기본적으로 살펴볼 내용을 보았지만 아직 동위원소란 개념은 언급하지 않았다. 금을 금이라 부를 수 있는 것은 양성자의 개수이지 중성자의 개수가 아니라고 했다. 기본적으로 양성자의 질량과 중성자의 질량은 동일하게 1:1 로 본다. 우리의 측정 단위인 kg 으로 살펴보아도 중성자는 1.6749286x10-27 kg, 양성자는 1.6726231e-27 kg (참고로 전자는 9.1093897x10-31 kg) 이다. 즉, 597,863,320,200,000,000,000,000,000 개 모이면 1 kg 이 된다. 과학적 편의를 위해서 실제 질량을 그만 두고 중성자 질량을 1 이라 두고 양성자 질량도 거의 1에 가깝기 때문에 (0.99862349) 이또한 1로 생각해서 금의 경우 양성자 79개 중성자 118개를 가지고 있을 때 이때 질량수 (mass number) 를 79+118 로 해서 197 로 한다. 주기율표 상에서 원자번호는 양성자 수를 나타낸다. 금의 원자번호는 그래서 79 (양성자 수) 이다.
수소의 경우 중수소, 삼중수소의 동위원소를 가진다. |
그렇다면 여기에서 아주 간단한 궁금증이 생길 수 있다. 중성자가 119개 혹은 120개인 금은 존재하지 않을까? 금을 금이라 부를 수 있는 것은 양성자의 개수이지 중성자의 개수가 아니기 때문이다. 이처럼 원자핵의 양성자 수가 같아서 (같은 원소라 부르는데…) 질량 (질량수) 이 중성자의 숫자가 다른 원소를 동위원소 (isotope) 라 부른다. 동위란 주기율표상의 같은 위치 (동일 원자번호, 동일 양성자 수) 이지만 다른 질량을 가지는 원소를 말한다. 예를 들어 다른 원소를 생각해보자. 탄소는 원자번호 6 (양성자 수: 6개) 중성자 수 6개로 질량수는 12이다. 그러나 중성자가 7개인 탄소는 동일하게 원자번호는 6이지만 질량수는 13이 된다. 만약 중성자가 8개면 탄소 14가 되고 중성자가 엄청 많아져 16개 정도 되면 질량수는 22가 될 것이다. 동위원소의 표기는 원소기호와 함께 전체 질량수를 표시하여 (원자번호는 정해졌기 때문에…) 12C, 13C, 14C 와 같이 표시한다. 그리고 12C의 경우 자연계에 98.9% 차지하고 13C 의 경우 1.1% 를 차지하기 때문에 주기율표상의 질량수는 이의 평균값 (98.9 x 12 + 1.1 x 13) / 100 = 12.011 으로 주기율표상에는 표시되는 것이다.
인간이 가진 에너지의 대한 욕망 - 우라늄
우라늄은 친숙한 원소이다. 자연계 상태에서 가장 무거운 원소이기도 하다. 원자번호는 92 (양성자 수: 92개) 그리고 잘 알려진 우라늄 동위원소 중 자연계에서 가장 풍부한 우라늄은 238U 이다. (중성자 수: 146개) 가벼운 원소의 경우 중성자와 양성자의 비율이 1:1에 가깝다. 그러나 가장 무거운 우라늄의 경우에는 약 1.5배 중성자가 더 많은 것을 알 수 있다. 앞서 말한 내용 중 두가지를 기억해 본다.
원자핵은 양성자 / 중성자로 이루어져 있고 이 둘은 강한 핵력으로 묶여 있다.
자연게의 자발적인 반응은 안정된 상태로 가려는 성질이다.
자연상태에서 얻은 우라늄 광석 |
자발적 반응에 대해서 생각해보면 자연 상태에서 불안정한 물질, 대표적으로 폭탄의 재료들은 원래 불안정한 상태이지만 순간 불안정한 상태를 안정한 상태로 만들어주는 계기를 마련하면 (점화, 발화 등) 짧은 순간에 엄청난 양의 에너지가 나오는 현상이 폭발이다. 비슷한 이유로 우라늄은 자연계에 존재하는 원소이지만 그 자체로 불안정하다. 보통 폭발성 위험물의 경우 앞서 살펴본 화학적 결합 (주로 산소와) 중 일어나는 급격한 에너지의 방출이다. 그러나 우라늄의 불안정성은 화학적 결합 (원자 단위의) 이 아닌 핵자체의 불안정이다. 즉, 양성자 92개와 중성자 146개가 묶여 있는데 이를 묶는 핵력은 그 규모가 커짐에 따라서 제대로 묶어 놓을 수 있는 힘이 떨어지게 된다. 따라서 핵 자체가 붕괴하거나 이 붕괴과정에서 에너지가 방출된다. 자연 상태에서도 우라늄은 조금씩 붕괴하고 에너지를 방출하여 주변에 열을 만든다. 그런데 인간은 이 반응을 조금 더 급격하게 하여 막대한 양의 에너지를 만들어 낼 수 있지 않을까 생각했다. 그리고 그 생각은 곧 실현되었으니 원자폭탄이다.
우라늄의 연쇄반응
우라늄또한 동위원소를 가진다. 자연계에 가장 많이 존재하는 우라늄은 우라늄 238 ( 238U ) 이고 99.2742 % 를 차지한다. 우라늄 235 ( 235U ; 0.7024 % ) 가 있는데 이는 우라늄 238 에 비해 3개의 중성자를 덜 가지고 있는 동위원소이다. 이외 아주 작은 비율로 우라늄 234 (0.0054 %) 도 있다. 어떻게 우라늄이 원자폭탄이 될 수 있는가? 지구에서 자연 상태의 불안정한 물질로 부터 에너지를 얻는 방법은 크게 두가지 모델을 생각할 수 있다.
첫번째는 총알 / 총 (bullet / gunfire) 모델이다. 총알은 그 자체로 인간에게 위험하지 않다. 그러나 총알에 큰 에너지를 가해서 급격하게 커진 운동에너지가 인간에게 전달되면서 그 에너지가 인간에게 해를 주는 것이다. 즉, 총알 그 자체는 아무런 해가 없는 것이지만 총이라는 도구를 통해서 총알을 빠르게 움직이게 하는 것이다. 마찬가지로 아무리 안전해 보이는 물도 아주 빠른 속도로 분사시키면 단단한 바위 심지어 심지어 가장 단단한 다이아몬드도 절단할 수 있다. 이처럼 물리적 에너지를 대상에게 주어 그 대상이 다른 대상에 에너지를 전달하는 모델을 총알 / 총 모델로 생각할 수 있다.
두번째는 폭발물 (explosive) 모델이다. 폭발물은 특정 온도, 압력에 이르면 자연스럽게 터지는 물질이다. 불안정한 물질인 니트로글리세린 등을 가지고 다니기 편하도록 규조토 및 잠시 안정화시킬 수 있는 상태로 만들고 이에 점화를 하여 원래 불안정한 물질의 에너지를 방출하도록 만드는 것이다. 점화는 다이너마이트의 한 부분만 신경쓰면 된다. 일부분이 폭발을 하게 되면 그 폭발력의 압력과 온도로 주변에 영향을 주어 연쇄적으로 폭발을 만드는 것이다. 총과는 다르게 광범위한 범위 그리고 불안정한 물질이 주변에 있으면 있을수록 그 폭발력은 증가한다.
이처럼 에너지를 방출할 수 있는 기술은 사실 국방력의 가장 큰 원리이다. 이 두 모델을 잘 조합(?) 한다면 폭발력을 가지면서 그 폭발력을 통해서 총알에 전달하여 방사형태의 폭발이 아닌 다량의 총알을 특정 방향으로 보내어 대량 살상을 할 수 있는 무기도 만들 수 있다. 중요한 것은 불안정한 물질 그리고 그 불안정한 물질이 에너지를 내놓을 수 있는 시작점 (방아쇠 (trigger)) 이 존재해야 한다. 결론적으로 말하자면 우라늄 235는 아주 특이한 성질을 가지고 있다. 스스로 불안정한 동위원소인데 적절한 조건과 충격을 가하면 불안정한 원자핵은 붕괴하고 그 붕괴과정에서 평균 2.5개의 중성자를 방출한다. 이 중성자는 마치 폭발력에 의해 날라가는 총알처럼 파괴력 (에너지) 를 가지고 그 에너지는 주변의 역시 불안정한 핵을 가진 우라늄 핵에 전달되고 핵은 또 다시 붕괴한다. 이처럼 우라늄은 중성자를 핵분열 과정에서 방출하여 총알을 가진 폭탄이 된다.
핵분열을 한 순간에 이루어지도록 하면 그것은 원자폭탄과 같은 거대한 파괴력을 가지는 무기가 되지만 적당한 밀도의 우라늄을 가지고 (폭탄의 양을 조절하고…) 우라늄을 분열시키는 중성자의 수와 에너지를 조절하여 적당한 에너지를 내놓을 수 있도록 하는 것이 원자력 발전이 되는 것이다.
원자력 발전은 안전한가?
원자로가 무조건 안전하다는 말은 확실한 거짓말이다. 앞서 말했지만 세상에 안전하다는 말을 붙일 수 있는 물질은 존재하지 않는다. 안전은 주로 물질 자체가 가지는 화학적 / 생리학적 측면이 있다. 예를 들어 비소 (As) 가 위험하다란 말은 비소가 인간이라는 생명체가 가지는 대사 과정 (metabolism) 에서 문제를 일으켜 생명에 위험을 주기 때문에 위험한 것이다. 그렇다면 물은 안전한가? 물도 과량 복용하게 되면 간단한 예로 물이 폐에 들어가면 치명적이다. 그렇기 때문에 화학적 입장에서도 어떤 물질도 안전하다 말하는 것은 거짓이다.
일단 현실을 생각하자. 미국의 쓰리마일, 구소련의 체르노빌 그리고 이제 일본의 후쿠시마에 이르는 원자로 폭발을 보았을 때 원자로의 위험성은 원자로 자체가 아닌 인간의 관리 능력, 그리고 폭발할 수 있는 가능성이 있다는 것만으로도 이미 위험한 것은 사실이다. 원자로 폭발은 제어되지 않는 원자력 에너지의 폭발이다. 제대로 제어되지 않거나 예상하지 못하는 상황에서 원자로의 기계 작동 등을 인간이 할 수 없는 상태가 된다면 그건 이미 원자로가 안전하다 말할 수 없다. 자동차가 위험한 이유는 자동차가 인간에 의해 달리고 인간에 의해 제어가 되지 않는 상태이다. 즉, 자동차가 위험하다면 자동차를 제거하면 된다. 같은 논리로 위험성은 가지고 있지만 원자력이 주는 이득이 더 많기 때문에 원자력 발전의 위험성을 충분히 고려하고서라도 발전을 계속해야 한다고 주장하기도 한다. 그런 주장을 하는 사람들에게 나는 항상 이렇게 말한다.
“집안을 따뜻하게 하려고 벽난로에 나무를 태우면 되는 것인데 집 밖에서 폭탄을 폭발시켜서 온수를 만들어 그 온수로 난방을 할 필요까지 있을까?”
아무리 잘 폭탄을 잘 제어한다고 해도 순간 관리하지 않아서 폭탄의 양을 제대로 조절하지 못한다면 집까지 날려 버릴 것이다. 가스도 분명 위험한지 알지만 그 편리성과 맞 바꾼 것 뿐이다. 문제는 지금의 에너지 정책에서 원자력 발전을 쓸만큼 에너지가 절대적으로 부족한지 그리고 원자력 발전의 사고 이후 발생하는 막대한 비용 및 직접 간접 사회적 비용은 항상 무시하고 있다는 점이다.
방사능은 무엇을 말하나?
방사능이 위험한가? 라는 본론으로 들어오기 위해 물질의 구성, 원자, 원소, 원자핵 그리고 동위원소 그리고 우라늄의 특징을 이용한 연쇄반응 그리고 에너지의 막대한 방출을 이용한 원자폭탄, 원자력을 살펴보았다. 다시 처음으로 돌아가서 방사능에 대해서 생각한다.
방사능이란 동위원소 (isotope) 라는 불안정한 상태의 원자의 원자핵에서 발생하는 자발적인 (외부의 에너지 유입없이) 방사선의 방출이다.
동위원소, 원자, 원자핵 등에 대해서는 설명했는데 마지막 남은 하나가 있다. 방사능이란 ‘방사선의 방출’ 이다. 인데 방사선이 무엇인가? 라는 질문이다. 많은 사람들이 알고 있지만 의료용으로 사용되는 X선부터 폭발한 원자로 주변에서 우주복같은 옷을 입고 기계를 측정하면 찌지직… 하는 소리를 내며 수치를 보여주는 것을 알고 있다. 방사선 (radioactive rays ; radiation) 은 방사능 물질의 원자에서 나오는 빛 또는 물질을 말한다. 순환 정의같다. 방사선은 방사능 물질에서 나오는 빛 또는 물질, 방사능은 방사선이 나오는 물질 … 그렇기 때문에 방사선의 종류를 살펴본다.
알파(α) 방사선 : 전자가 제거된 헬륨 (He) 원자핵이다. 헬륨은 원자번호 2번이기 때문에 양성자 2개이고 중성자는 2개를 가진다. 즉, 양성자 중성자 각각 2개로 이루어진 원자핵이다. 다만 안정된 상태에서는 전자가 2개 존재해서 중성을 이루지만 헬륨 원자핵은 +2 의 전하를 가진다. 불안정한 원자핵이 붕괴하는 과정에서 알파선이 나오는 것을 알파 붕괴라고 한다. 알파 붕괴가 1회 일어나면 원래 원자핵보다 질량수는 4가 줄고 원자번호는 2가 줄어들 것이다. (다른 원소가 된다.)
베타(β) (마이너스) 방사선 : 전자 자체이다. 그러나 앞서 설명한 원자핵 주변에 있는 전자가 아닌 중성자가 열받아서 양성자 하나와 전자 하나 그리고 반중성미자 (소립자 물리학, 반물질에 대해서는 관심있는 분들만…) 로 붕괴하는 과정에서 나오는 전자이다. 아무튼 중성자 하나 희생해서 양성자 하나 만들고 전자가 튀어나오는 것이다. 그렇기 때문에 원래 핵보다 양성자 하나가 증가하여 원자번호는 증가하고 질량수는 그대로인 (중성자가 양성자로 되었으니 전체 양성자 + 중성자 수는 동일) 핵이 만들어 진다.
감마(γ) 방사선 : 핵붕괴 과정은 거의 대부분 불안정한 상태이기 때문에 높은 에너지의 상태에서 조금 낮은 에너지가 되는 과정에서 방출하는 빛이다. 원자 번호, 질량수의 변화는 없다.
알파, 베타, 감마 방사선 이외에도 중성자가 고에너지를 가진 중성자선이 있다. 중성자선은 우라늄 핵붕괴의 점화를 만들기 때문에 이를 제어하고 위해서 원자로에서는 물 (중수) 을 이용하여 반응을 느리게 한다. |
알파, 베타, 감마 이외에도 다양한 붕괴 과정이 있지만 우리에게 방사능이 어떤 위험이 될 수 있는가를 위해 개략적으로 세가지 정도로 생각한다. 알파선은 원자핵이다. 베타선은 전자이다. (원자핵에 비해 비교도 안되게 작지만 일단 입자이다.) 감마선은 그냥 우리에게 친숙한 빛이라 생각하면 된다. 알파, 베타, 감마 각각 고무탄, 총알, 레이저건 (미래 세상의…?) 으로 생각해보자. 고무탄은 충격은 가해지지만 그래도 신체 내부를 들어가기 어렵다. 반면 총알은 신체 내부까지 충격이 가해져 내부출혈이나 내부 장기 손상을 준다. 레이저건의 경우 너무 투과를 잘해 심지어는 우리를 투과했는지도 모를 때도 있다. (X선 생각하면 될 것이다.) 방사선의 공통점은 붕괴과정에서 발생하는 고에너지를 가진다는 것이다. 일반 전구에서 나오는 빛 (가시광선) 과 감마선의 차이점은 빛이 가지고 있는 에너지의 정도이다. 감마선은 고에너지 빛이기 때문에 일반적으로 X선처럼 투과하기 쉽지만 특정 대상과 만나면 총알처럼 자신의 에너지를 그 대상에 전달한다. 이런 원리를 이용해 외과적 수술이 어려운 뇌종양 등에 감마선을 이용해 종양에 에너지를 전달해 파괴하기도 한다. (감마나이프)
방사선은 위의 세개만 있는 것이 아니라 자연계에서 에너지 높은 입자 혹은 빛 등은 모두 방사선이라고 말해도 된다. 우주에서 날라오는 우주선도 이름만 우주선이지 물리적, 화학적으로 방사선이다. 최근에는 양성자 (수소 원자핵) 도 고 에너지로 만들어 이를 방사선으로 치료에 사용되기도 한다. 이처럼 높은 에너지를 가지는 (높은 속도를 가지는…) 입자들 모두를 방사선이라고 생각하면 된다.
방사선은 위험한가?
항상 방사선이 위험한가라는 질문이 나오면 원자력 발전 옹호론자들은 자연에서도 항상 방사선이 나온다고 주장한다. 맞는 말이다. 앞서 말한 것처럼 자연에는 안정된 원소들 뿐만 아니라 불안정한 원소들도 있기 때문이다. 여기서 이제 생각해봐야 할 것은 방사선은 기본적으로 고 에너지를 가지는 입자이다. 즉, 특정 플라스틱이 방사능이 있다면 그 플라스틱이 방사능을 가진다는 표현보다는 플라스틱을 구성하고 있는 원소 중 탄소, 질소, 산소 등의 원소 중 방사능을 가진 원자를 가지고 있다고 표현하는 것이 더 정확한 표현이다. 따라서 수입된 수산물에 방사능이 검출된다는 것은 그 수산물을 이루는 단백질, 뼈 등이 방사능이 있다는 말보다는 그 단백질, 뼈를 구성하는 원소 (주기율표 상 나온) 가 방사능을 가진 원자를 가지고 있다고 생각하면 된다. 즉, 자연계 자체가 이미 방사능을 가진 물질들이 많기 때문에 이미 자연 방사선에 노출된 것은 당연한 것이다.
또한 의료용으로 사용되는 고 에너지 방사능 물질 등도 의학적 검진을 위한 방법일 뿐이지 안전이 보장되기 때문에 사용하는 것은 아니다. 마치 가정에서 가스를 사용하는 것도 비슷한 이유일 것이다. 문제의 핵심은 이처럼 자연방사선 혹은 의료용 방사선에 의해 노출되어도 잘 살고 있는데 뭐가 문제냐가 아니라 인공 방사능 물질에 집중해야 한다는 것이다. 즉, 원자력 발전, 원자폭탁과 같이 핵 붕괴를 이용하여 에너지를 얻는 과정에서 부산되는 물질 (byproduct) 들도 충분히 높은 에너지를 가지는 방사능 물질이다. 즉, 원료 우라늄을 원자력 발전에 사용하면 화력발전소에서 태우고 남은 검댕 덩어리 정도가 아니라 자체적으로도 수많은 방사선을 만들 수 있는 방사능 고위험 물질이라는 것이다. 즉, 쓰고 남은 폐기물 조차도 엄청나게 오랜동안 알파, 베타, 감마 붕괴를 계속하고 있고 이런 위험을 막기 위해 핵폐기물 시설을 만들어 격리시키는 것이다.
많은 사람들은 방사능을 마치 독극물 혹은 화학적 반응에 의한 위험으로 생각하는데 앞서 설명한 방사선의 종류를 살펴보면 모두 고 에너지를 가지는 입자들이다. 즉, 우리 몸을 이루는 세포보다 더 작고 그 세포의 세포핵보다 더 작고 그 세포핵의 DNA보다 더 작고 DNA 의 구성 핵산들보다 더 작고 그 핵산의 구성원소보다 더 작은 입자들이 강한 에너지를 가진 것이다. 말하자면 아주 정교하게 만들어진 총알이라고 보면 된다. 그 총알이 인간의 신체와 만났을 때 어떤 현상이 일어난 것인지는 화학적 반응이라기 보다는 보다 물리적인 반응이다.
역학의 입장에서 방사선
방사선을 총알로 보자. 알파선은 헬륨 원자핵이라 조금은 크지만 인간의 DNA 로 보아도 무지 작다. 그러나 그 투과력이 높지 않다. 심지어 일반적 대기압 (1 atm) 상에서도 약 3cm 를 날라가서 공기 입자에 의해 그 에너지가 소멸하고 신문지 정도도 잘 투과하지 못한다. 알파선도 충분히 작은 입자이지만 단일 입자가 아니라는 점 (산탄총으로 저격을 하기는 어렵지 않은가…) 그리고 + 전하를 가지고 있다는 점 등 다양한 이유로 투과력은 높지 않다. 베타 입자는 조금 투과력이 있어 피부정도는 투과할 수 있지만 내부 장기까지 들어올 정도는 아니다. 그러나 감마 입자는 투과력이 좋은 빛이기 때문에 X선만을 생각해도 우리의 내부를 투과해서 의료 영상에 사용되는데 감마선은 X선보다 더 높은 에너지를 가지는 빛이다. 베타 입자는 조금 구경이 작은 총알이라 근접 사격에서는 충분히 살상을 일으킬 수 있을 것이고 감마선의 경우 투과력이 좋고 에너지가 높기 때문에 마치 미래 세계의 레이저 검처럼 깔끔하게 잘라지는 것을 비교할 수 있을 것 같다.
총에 대한 비교는 조금 현실적이지 않을 수 있지만 총의 구경, 총알에 가해지는 에너지, 에너지의 효율을 위해 총알과 탄피 등의 종류에 따르면 같은 사격 거리에서도 다양한 총상을 입는 것을 알 수 있듯이 방사선은 이런 총알과 같이 화학적 작용이 아닌 높은 에너지의 방사선이 우리에게 주는 충격이라고 생각하는 것이 더 본질적 이해가 될 것이다. 즉, 방사선이 우리 몸의 구성 물질 특히 DNA 를 구성하고 있는 수소결합 등에 충격을 가해서 일부 DNA에 손상을 주거나 변형을 일으키면 DNA 는 기존의 역할을 제대로 못하고 만들어 내야 하는 단백질을 만들지 못하거나 제대로 기능을 못하는 단백질을 만들어 낸다. 결국 방사능이 무서운 이유는 방사능이 가지는 고 에너지가 신체의 어느 부위에 어떤 충격을 주어 우리의 생물학적 역할을 하지 못하게 할지 모르기 때문이다. 이렇게 DNA 등 세포 단위의 충격을 주게 되면 우선 면역에 관련된 항체 형성을 못하게 하여 면역력을 떨어뜨리거나 잘못된 단백질을 만들어 정상 세포가 아닌 종양 세포를 만들어 소위 암 세포를 만들 수 있는 것이다. 즉, 방사능 물질이 발암 물질인 이유는 방사능이 가지는 에너지가 인체의 특정 기능을 하지 못하도록 DNA를 망쳐 놓기 때문이다.
참 역설적이지만 정상 세포를 엉망으로 만들어 내는 방사능은 반대로 그 에너지를 집중하고 조절하여 종양 세포를 죽이는 역할을 한다. 이는 오히려 종양 세포에 높은 에너지를 주입하여 세포 자체가 열적 한계를 이기지 못하고 죽도록 하는 것이 더 가깝다. 자연 방사능이 있다고 해서 추가적으로 방사능에 노출된다고 해서 건강상 이득을 얻을 가능성은 전혀 없다고 봐야 한다. 방사능은 최대한 피하는 것이 원칙이다. 정말 운이 없다면 아무렇지 않게 스쳐지나간 자연 방사능에 의해 치명적 암이 생길 수도 있고 어떤 이는 방사선에 좀 더 노출되어도 운좋게 신체의 향상성에 의해서 건강하게 살아갈 수 있다. 그렇지만 높은 방사선 피폭은 결국 피할 수 없는 높은 에너지의 집중으로 내부 장기 부전 (failure) 를 만들어 사망에 이르게 된다.
인공 방사선에 대해서 생각한다.
방사선의 위험성은 총알처럼 외부에서 충격이 가해지는 방식 (외부 피폭) 뿐만 아니라 방사능 동위원소를 포함하는 수산물, 농산물 등을 사람이 섭취해서 소화시켜 내부에서 피폭되는 과정 (내부 피폭) 이다. 모든 생명체는 방사능 칼슘과 방사능이 없는 칼슘을 구별하지 못한다. 방사능은 화학적 결합을 이루는 원자 단위가 아닌 원자핵 단위에서 이루어 지는 과정이기 때문에 방사능 칼슘을 섭취해도 신체의 대사가 이를 구별하는 과정은 불가능하다. (만약 이런 과정이 인체에 있다면 내부 피폭의 두려움은 덜 했을 것이다.)
후쿠시마 참사의 경우에도 그렇고 방사능 물질이 확산되는 과정에서 인간에 미치는 영향을 나타내는 것으로 요오드131 ( 131I) 를 살펴본다. 요오드는 원자폭탄이나 원전 폭발과 같이 방사능 물질이 확산되는 과정에서 초기에 발생하고 갑상선에 의해서 요오드의 흡수 축적 농도가 높기 때문에 이 이유로 원자 사고 주변사람들에게는 안정된 요오드127 ( 127I ) 을 섭취해 추가되는 방사능 요오드131 이 더 축적되지 않고 배출되도록 한다. 인공 방사능 즉, 원자폭탄 혹은 원자력 발전 폭발과 같은 원인에 의해 급격하게 통제되지 않은 상태로 방사능이 확산되면 핵붕괴에 의해 만들어진 동위원소들은 다양한 인공 방사능 물질을 만들어 낸다. 방사능 요오드를 섭취한다고 해서 방사능이 있는지 아닌지 구별할 방법이 없기 때문에 요오드를 원하는 갑상선에 축적되고 방사능 요오드는 갑상선 내부에서 방사선을 방출한다. 요오드131 은 베타붕괴와 감마붕괴를 한다. 즉, 베타붕괴 후 원자번호 하나가 증가하여 제논131 이 된다. 문제는 신체 외부에서 베타붕괴가 일어난다면 피부정도로 혹은 의복정도로도 막을 수 있는 베타선 (전자) 이 내부에서는 주변 내부 기관에 영향을 주게 된다는 것이다. 마치 위산에 의해 점화되는 폭탄을 먹어서 위 도달하여 터지어 위 내벽을 파괴하는 것을 생각하면 어떨까? (너무 과했나…)
이와 비슷하게 인공 방사능은 몇가지 중요한 의미를 가진다. 소위 자연 방사능과 구별하게 되고 원자핵 붕괴와 관련된 사고에서 위험을 예측하고 이를 예방할 수 있는 지표가 되기도 하지만 일반 자연 방사능과 다르게 인간의 생리과정에서 필요로 하는 물질 혹은 대체되는 물질들이 많이 발생한다는 것이다. 미국 드라마 중 수사물에서는 꼭 한편씩은 폴로늄 ( 210Po )을 이용한 독살을 소개한다. 트랜센던스에서도 주인공이 폴로늄에 의해 방사능 독살을 당하게 된다. 폴로늄은 인공 방사선으로 인간이 만들어 낸 원소이며 알파 붕괴를 하는 원소이다. 만약 이 원소가 몸 안으로 들어가면 신문지 하나로도 막을 수 있던 알파입자가 신체 내부에서 강력한 에너지로 내부 장기를 차례로 망가트린다. 알파선은 투과력은 떨어지지만 양전하를 가진 강한 이온화된 방사능이기 때문에 다른 방사능에 비해 거의 100~1000배 세포핵을 파괴한다. (직접적 부위는 거의 대사과정이 불가능하게 된다.)
조금은 생소하지만 스트론튬 ( 90Sr ) 도 원자력 관련 사고에서 측정해야 할 필요가 있는 원소이다. 스트론튬은 핵붕괴 과정에서 상당히 많은 과정에서 발생하며 그런 이유로 경로 상 상대적으로 많이 발견되는 인공 방사선이다. 요오드131에 비해 조금 시간이 진행된 과정에서 측정할 필요가 있다. 중요한 점은 스트론튬은 주기율표 상에서 칼슘과 같은 줄에 있는 원소이다. 참고적으로 주기율표상에서 세로줄로 같은 줄에 있는 원소들은 화학적 결합이 비슷한 성질을 가진다. 따라서 칼슘이 있을 곳에 스트론튬이 대체되기도 한다. 이는 칼슘과 스트론튬의 화학적 결합 성질이 비슷하기 때문에 칼슘이 부족하거나 스트론튬이 많이 섭취된 상태에서 종종 일어난다. 잘 알겠지만 칼슘은 신체의 뻐를 구성하는 원소이다. 뿐만 아니라 신체의 전해질에 중요한 역할을 하고 있다. 방사능 스트론튬이 섭취된다면 이는 온 몸에서 방사선을 내부에서 방출하게 된다. 그런 이유로 방사능 스트론튬은 골수암, 백혈병 등에 직접적 영향을 준다.
방사능은 마치 유령같은 존재가 아니라 세상의 모든 물질들 중 불안정해 내놓는 높은 에너지의 빛 혹은 입자 라고 생각하면 후쿠시마 발전소 폭발의 영향을 조금 과학적으로 접근할 수 있다. 사고 이후 왜 그렇게 많은 과학자들이 해수에 의한 확산 그리고 농도 등을 계산했는지 그리고 공기 혹은 지하수 등으로 확산되는 토양 오염에 집중했는지 조금 이해할 수 있을 것이다. 방사능이 우리에 영향을 줄 수 있는지 아닌지는 방사능 물질이 우리에게 얼마나 영향을 주는지 아닌지가 중요하다. 즉, 방사능 물질이 얼마나 확산되어 우리에게 영향을 주는지가 중요하기 때문에 해수에 의한 토양에 의한 확산 모델을 계산하는 것이다.
상식적이지만 대부분 해수, 대기, 토양 등에 의해서 방사능 물질은 확산된다. 물질은 항상 높은 농도에서 낮은 농도로 자연스럽게 이동하기 때문이다. 그런 이유로 후쿠시마에서 방출된 방사능 물질이 해수에 들어가 언제쯤 캘리포니아 해변에 도착할까 계산하고 측정하는 이유이다. 일본의 해류는 캘리포니아 해변으로 이어지고 태평양으로 흘러 들어가기 때문이다. 물론 더 정확하게 해양 심층수 및 다양한 대기 온도 등의 변수는 있지만 일반적으로 그렇게 흘러간다.
NOAA satellite image of radioactive cesium leaking into the ocean from Fukushima Daiichi |
문제는 거대한 대양에 의해서 희석된 방사능 물질은 안전한가? 태평양 바다가 얼마나 대규모인데 후쿠시마 방사능 물질이 아무리 나와도 비교가 안된다는 이야기이다. 여기에 대한 대답은 전문가들의 연구와 오랜 관찰이 필요할 것이다. 다만 몇가지 가능성에 대해서만 이야기한다면 앞서 물질은 자연 상태에서 낮은 농도로 이동한다고 했지만 반대의 경우가 존재한다. 생물의 대사 과정에 의한 특정 물질의 농축이다. 대표적인 예가 바로 칼슘 혹은 스트론튬이다. 먹이 사슬에 의해서 특정 먹이감을 먹는다는 것이 특정 원소의 농축에 상당히 효과적이다. 따라서 그렇게 농축된 먹이사슬 상 상위 개체를 인간이 섭취할 때 그 농축의 정도는 고려해 봐야 하는 내용이다. 두번째는 방사능 물질은 핵붕괴에 의해서 점점 다른 원소로 변하고 점점 안정된 상태가 되기 위해서 계속해서 방사선을 내놓고 고 에너지를 내 놓는다. 문제는 그렇게 발생하는 고 에너지가 적당히 안정적 물질에 충격을 줄 수 있는 가능성, 인간에게 종양을 만들듯이 인간의 먹거리가 되는 생명체에 나쁜 영향을 주어 그 영향을 인간이 받을 수 있는가 아닌가이다.
후쿠시마 뿐만 아니라 지금까지의 수많은 인공 핵붕괴 과정은 우리에게 필요이상의 인공방사능 물질을 만들어 주었다. 그리고 그 영향은 이미 직접적, 간접적 영향을 분명히 받고 있다. 다만 그 영향을 정량적으로 증거가 될만큼 증명하기가 어렵기 때문에 그냥 살고 있을 뿐이다. 인간이 할 수 있는 최선의 노력은 인공방사능 물질을 최소화시키는 것이다. 그것은 인공 핵붕괴를 줄이는 것이다.
방사능에 대한 두려움이 만드는 괴담
이 글을 쓰게 된 계기는 우연히 보게 된 블로그 글을 보고 나서이다. [ 일본이 방사능 때문에 망할거라고? ] 인터넷 상에 어떤 이가 후쿠시마 사고 이후 방사능에 의한 문제점을 적은 글을 보고 그 글의 내용을 하나하나 반박하는 성격의 글이다. 처음에는 반박에 대한 새로운 반박을 할까 싶었다. 방사능에 대한 오해를 풀기 위해서는 방사능이 무엇인지 이해하는 것이 중요하다. 그런데 수산물의 수입은 시간에 따라 변화하는 변수를 가지고 있고 진행중인 방사능의 위험에 대해서 논의하는 것은 반박당하는 글이나 반박하는 글이나 다 적절하지 않은 것이 아닌가. 오히려 시간이 지남에 따라서 방사능에 의한 영향은 어떻게 변화할 것인가? 조금 시간이 지난 후에 일본 수산물 수입 추이, 수입 허가 지역이 어디인가 등의 정보를 계속 업데이트 했다면 모르겠다. 시간이 지난 이후에도 계속 글은 정지해 있다. 만약 일본 방사능에 대한 두려움을 가지고 지금 시점에서 찾아갔다면 당시 검색된 내용만의 구성일 뿐이다. 그리고 본문 내용 중에 이런 글이 있다.
후쿠시마가 체르노빌의 11배라는 말도 의심스럽다. 11배의 근거가 되는 얘기는 앞서 소개한 김익중 교수의 강의 같은데 김익중 교수는 이를 사용한 핵연료의 양을 비교해서 얘기한다. 어찌보면 조금 무책임하다 싶은 단순계산인데, 이에 대해 반박할만한 근거는 차고 넘친다. [ by 윤지만 ]
김익중 교수님 |
방사능과 같은 과학적 내용이라면 감정적 표현은 줄이고 필자가 말하는 차고 넘치는 반박할만한 근거를 가지고 소개하는 것이 더 정확할 것이다. 스스로도 '… 같은데' , '조금 무책임하다 싶은 단순계산인데' 와 같이 부정확한 표현만으로 강조한다. 솔찍히 개인적으로 필자의 뛰어난 검색 능력으로 검색한 내용들이 충분한 과학적 근거가 있는지에 대해서 먼저 생각해봐야 할 것이다. 그리고 뛰어난 검색 능력을 가지는 필자분의 마지막 마무리를 한번 인용해 본다.
인터넷에는 수많은 정보가 떠다니고, 그 정보에서 제대로 된 정보를 찾아낼수 있는건 사용자의 몫이다. 차라리 모르는게 잘못 아는것보다 낫다.
+) 내가 이딴 쓰레기 글의 진위를 파악하기 위해 황금같은 주말에 2시간을 날리다니… [ by 윤지만 ]
개인적으로 인터넷에 떠다니는 수많은 정보 중 이 글처럼 자신이 찾아낼 수 있는 것만 찾고 자신의 입맛에 맞춰서 - 우선 자신이 찾은 정보들이 제대로 된 것인지 현재에도 타당한지 검증해야 한다. - 써놓고는 차라리 모르는 게 잘못 아는 것보다 낫다 라고 한다. 조금은 길지만 그래도 방사능을 이해하는 글을 준비하고 싶었던 이유가 바로 여기에 있었다. 자신의 검색 능력이 뛰어나다면 그리고 과학적 사실에 대한 내용을 이해하고 이다면 그 이해하는 내용과 자신의 의견을 내놓는 것이 바로 "쓰레기 같은 [ by 윤지만 ]" 인터넷의 역할이다. 잘못 알고 있는 것이 있다면 그것을 알 수 있게 도와주는 것이 바로 인터넷의 순기능이다.
댓글까지도 허용하지 않았다. 반박에 대한 반박을 올리고 싶었지만 댓글도 안되어 차라리 방사능에 대한 일반적인 이해 그리고 후쿠시마 뿐만 아니라 방사능이 어떤 위험성을 가지는지 그 과학적 내용을 설명하는 것이 더 가치있다고 생각했다. 역설적이지만 블로그 상에 저런 글을 보고 글을 쓰게 되어 한편으로 감사하지만 방사능에 대한 오해만 더 증가시킬 수 있지 않을까 싶다.
방사능에 대한 위험성이 괴담이다 과장된 것이다 라는 주장을 하기 위해서는 방사능이 전혀 위험성이 없다는 증거 혹은 정말 일정 임계치 이하 노출에는 전혀 해가 없다는 명백한 증거를 먼저 제시해야 할 것이다. 안전은 위험성을 제거하기 위한 과정이 아니라 최소화하기 위한 노력과 장치이다. 방사능 (물질) 은 공식화된 발암물질이다. 분명한 것은 후쿠시마 재앙이후 확실히 우리는 방사능에 노출될 가능성은 더 높아졌다는 것이다.
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