KAIST 원자력양자공학과

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방사선 두렵나요?

1. 우주는 방사선의 바다

 

일반인에게 방사선은 공포의 대상이지만, 알고 보면 방사선만큼 과학발견의 중심에 있으면서 기술적으로 인류에게 도움을 주는 것도 없을 것이다. 방사선이란 원자 크기의 작은 입자들이 운동하는 상태를 말한다. 알파선, 베타선, 감마선, 엑스선 뿐만 아니라 빛도 방사선이다.


밤 하늘의 빛나는 무수한 별들은 사실상 핵융합 반응이 일어나고 있는 뜨거운 가스덩어리이며, 그 내부에는 양성자와 헬륨 원자핵, 전자, 중성미자 그리고 빛과 감마선 등 100% 방사선으로 구성 되어 있다. 별은 수소가 헬륨으로, 그리고 다시 탄소, 산소, 규소, 철 등 무거운 원자로 변해가는 과정이다. 태양 정도 크기의 별들은 대부분 헬륨으로 변화하면 핵융합 반응을 멈추고 백색왜성이 되고 말지만 오리온 자리의 베텔게우스와 같이 태양보다 천배정도 큰 별은 주기율표 순서대로 변화하다가 철이 되면 크기가 줄어들면서 폭발을 한다. 이 것을 초신성이라 하며 이 우주 쇼는 지구에서 2주간 관측이 가능하다. 이때 우라늄 등 철보다 무거운 원소들이 생성되면서 우주로 흩어진다. 우리 지구 구성요소가 철(35%), 산소(30%), 규소(15%), 마그네슘(13%) 과 같은 원소 외에도 우라늄이나 토륨이 많은 이유는 우리 지구가 약 50억년전 어떤 초신성이 폭발한 잔해들로부터 생성되었기 때문이다.


우주여행을 위해 우주선을 타고 지구 대기권을 벗어나게 되면 행성간 혹은 별간 공간은 지구대기에 비해 거의 진공상태다. 그러나 사실 태양 표면에서 방출되는 방사선과 먼 거리의 초신성들의 폭발로 흩어져 날아오는 수많은 종류의 방사선으로 가득 차 있다. 이들 방사선은 90%가 고에너지의 양성자이지만, 알파입자, 전자, 감마선, 엑스선, 뮤온, 등 다양한 방사선으로 구성되어 있다. 대기가 없는 달 표면에서의 측정한 방사선량은 11년 주기의 태양 자기장 변화에 따라 하루 기준으로 최저 0.3 mSv (110 mSv)에서 최고 1 mSv (380 mSv) 사이로 변화하고 있다. 태양의 흑점이 폭발할 시는 일시적으로 1000 mSv 이상 피폭이 되기도 한다. 그러기 때문에 단기간이라도 우주여행을 하려면 우주방사선 피폭으로부터 우주선 탑승자를 보호하는 차폐막이 필요하다.


하지만 지표면에 살고 있는 우리는 지구 대기층과 반 알렌 벨트라는 지구 자기장에 의해 우주방사선으로부터 보호를 받고 있다. 지구 반경 (6400 km)0.3~2배에 달하는 내층은 우주방사선 전자들을 포획하며, 지구 반경의 3~10 배에 달하는 외층은 양성자를 포획함으로써 지구를 보호하는 역할을 하고 있다. 만일 이 지구 자기장이 없다면 지표면 역시 달 표면과 동일한 방사선을 받게 된다. 일부 이 자기장 층을 통과한 우주방사선은 지구 대기층과 충돌하여 중성자와 감마선을 생성하는 데 이들 중 일부가 지표면에서 우리가 받는 소위 2차 우주방사선으로 하루 평균 0.001 mSv (0.35 mSv) 정도가 된다.

 

2. 지구는 방사선 덩어리

 

지구 내부로 들어갈수록 온도가 높아지는 데 그 이유는 지구의 핵이 4500도 에 달하는 뜨거운 상태이기 때문이다. 지구 내부로부터 지표면으로 매순간 44.2 테라와트 크기의 막대한 지열이 뿜어져 나오고 있다. 이 에너지의 50%45억년 전 원시 지구가 형성될 때 5~7개의 대형 미행성(마지막으로 충돌하고 떨어져 나간 미행성이 달이 되었음)들과 수천 개의 소행성들이 충돌하면서 발생한 충돌 열이 아직까지 다 식지 않았기 때문이며 나머지 50%의 에너지는 지구의 구성 요소인 맨틀, 외핵, 내핵 모든 부분에 방사성 우라늄, 토륨, 칼륨 및 그 자핵종들이 포함되어 있어 이 들이 끊임없이 막대한 양의 알파, 베타, 감마선을 방출하는 핵붕괴 반응을 일으키고 있기 때문이다. 이처럼 지구 내부는 끊임없이 열을 내고 있으나 수십억 년의 오랜 세월을 거쳐 방사성 동위원소의 존재비가 줄어들면서 점차 식어가는 중이다. 하지만 걱정할 필요는 없다. 이 들 방사성 원소들의 반감기는 매우 길다. 토륨-232는 우주 나이와 거의 같은 139억년이며, 우라늄-238은 지구 나이와 거의 같은 45억년이다. 칼륨-40은 다소 짧지만 12.8억년이나 된다. 원자력 발전에 사용되는 우라늄-235는 조금 더 짧아서 7.1억년이다. 지구 초기에는 우라늄-238235가 거의 같은 양이 있었지만 반감기 차이 때문에 현재에는 99.3 : 0.7 의 비율을 가지고 있다.


원시 지구 충돌 에너지는 대부분 외핵과 내핵에 쌓여 있지만, 방사선 에너지는 지구 전체에 골고루 퍼져 있는 데 특히 맨틀층에서 중요한 역할을 한다. 이 방사선 에너지로 인해 맨틀 층은 유동성을 가지는 플라스틱 상태로 존재하는 데 주성분은 마그네슘, , 알루미늄, 실리콘 그리고 산소이다. 맨틀 층의 두께는 2900 km 인데 동짓날 먹는 팥죽의 상부가 고체화되는 것처럼 맨틀층의 상부 1%가 식어서 지각을 만들고 있다. 지각은 밀도가 크고 (2.9 g/cm3) 얇은 (7 km) 해양지각판과 밀도가 작고 (2.7 g/cm3) 두터운 (35 km) 대륙지각판으로 구성되어 지구의 겉모습을 만들고 있다. 이들 전 지구 표면의 지각판들은 20 여개의 조각으로 나뉘어져 있는 데 맨틀층의 대류 현상으로 인해 이리 저리 움직이게 된다. 그 속도는 대단히 느려서 평균 5 cm/year 로서 손톱 자라는 속도 정도이다. 지구 지도를 보면 대표적인 지각의 이동을 알 수 있는 데 아프리카와 유럽이 3억년 전에는 북아메리카와 남아메리카와 붙어 있었다는 것을 알 수 있다. 또한 삼각형 모양의 인도 대륙은 25천년 전에 아프리카 서남단에서 출발하여 5천만년전에 아시아 대륙에 충돌하기까지 마치 뗏목처럼 흘러 온 경우이다. 그 결과 히말라야 산맥이 형성되었고 현재도 계속 아시아 판을 밀고 있어 히말라야 산맥이 매년 1cm 정도 높아지고 있다. 한편 태평양의 중심에 남북으로 뻗어 있는 중앙해령은 새로운 지각판이 양쪽으로 생성되는 발산경계 지형이며, 환태평양 화산대는 해양지각판이 육지지각판 아래로 파고드는 수렴경계 지형이다. 지진과 화산은 판의 이동과 맨틀층의 마그마가 지각판을 뚫고 나오는 현상으로서 기실 지구 방사성 핵종으로부터 방사선 에너지를 받아서 일어나는 현상이다. 판의 이동과 화산활동은 지각과 맨틀 간의 상호 교환 작용으로서 45억년간 지구의 환경을 반복적으로 윤회 시키고 있다. 화산과 지진은 인간의 삶에 많은 피해를 주지만 사실 지구의 관점에서는 생태계의 재생 사이클이다. 마그마가 식은 용암과 함께 많은 미네랄들이 지표로 방출되어 지표면에 사는 생명체에게 다양한 원자들을 공급하고 있는 현상이다. 이러한 현상의 결과 화성암과 퇴적암 간에는 평균 방사능 농도가 다르게 나타난다. 화강암 1kg에는 1000~2000 Bq의 방사능이 존재하지만 흙이나 퇴적암에는 100~800 Bq 정도의 방사능이 존재한다. 방사능의 80% 정도는 칼륨-40 이며, 나머지는 우라늄-238과 토륨-232 및 그 자핵종 들이다.


또 하나 매우 중요한 사실은 지구방사선 에너지에 의한 맨틀층의 유동 현상은 전기를 띈 맨틀 구성 입자들의 순환 현상을 유발 시켜서 앞장에서 언급한 지구 자기장을 생성하는 원인이 된다. 이 순환 현상은 대략 100만년 주기로 방향이 바뀌므로 이에 따라 지구 자기장 역시 100만년 주기로 남극과 북극이 바뀌게 된다. 즉 지구방사선이 태양 방사선을 막아 지구 생명체를 보호하는 절묘한 상황이 연출된다. 하지만 사실은 이 상황 때문에 지구상에 생명체가 존속할 수 있었던 것이다. 이처럼 지구 내부와 지구 밖 우주는 방사선으로 가득 차 있으며 단지 지구 표면만이 지각과 대기 및 지구자기장으로 인해 방사선이 다소 차폐되어 방사선량이 작아 생명체가 존재하는 생태계를 이루고 있다.

 

3. 모든 생명체는 또 하나의 방사선원

 

지구의 일부인 지구상의 생명체 역시 방사성 동위원소를 몸 안에 가지고 있다. 인간의 경우 1 kg 당 약 70 Bq의 칼륨-40 방사능을 위시로 해서 탄소-14 40 Bq, 루비듐-87 10 Bq 등 다양한 방사성 동위원소를 가지고 있다. 이는 음식물 섭취와 호흡을 통해 우리 몸이 만들어 지기 때문이다. 1945년 이후 2000번에 이르는 원폭실험과 체르노빌 사고를 통해 반감기가 30년에 불과한 방사성 Cs-137도 미약하나마 kg 0.2 Bq 정도를 보유하고 있다. 이러한 내부방사선은 정도의 차이는 있지만 대부분의 동식물 모두 마찬가지이다. 담배의 경우 1갑에 0.3~0.6 Bq의 폴로늄-210이 들어 있어 하루 1갑씩 1년을 피우면 약 100 mSv의 피폭을 받는다. 음식물 중에는 해조류와 생선, 시금치와 버섯, 콩 등에서 특히 칼륨-40 농도가 높다.


전 세계 평균적으로 인간은 매년 2.4 mSv의 방사선 피폭을 받는다고 보고되고 있으며 이 중 52% (1.2 mSv) 는 우라늄의 자핵종인 라돈 가스를 호흡함으로서 폐를 통해 받고 있으며, 지각 방사선으로부터 땅, 건물 바닥이나 벽을 통해 20% (0.48 mSv), 그리고 2차 우주방사선을 통해 16% (0.38 mSv), 나머지 12% (0.29 mSv)는 음식물 섭취를 통해 피폭되고 있다. 음식물 섭취를 통해 피폭되는 칼륨-40은 자기 자신으로부터 뿐만 아니라 근접 거리에 같이 생활하는 동료나 가족으로부터 피폭되기도 한다. 2.4 mSv를 받는다고 가정하면 60kg 몸무게를 갖는 사람의 경우 초당 3만개 혹은 1시간에 1억개의 방사선을 받고 있는 셈이다. 이 개수의 1/3은 자신의 몸 내부로부터 그리고 2/3은 지각방사선 및 우주방사선 등 외부로부터 받고 있는 셈이다. 한국인의 경우 연평균 3 mSv, 일본인의 경우는 우리나라의 절반 정도인 연평균 1.4 mSv를 받고 있다. 그 차이는 우리나라는 비교적 화강암이 많아 지각방사선의 차이에 기인한다. 한편 브라질의 해안 휴양도시인 구아라파리와 이란의 고산지역에 사는 사람은 우주방사선의 양이 많아 연평균 10 mSv 이상의 피폭을 받고 살아가고 있다.

 

4. 생명의 탄생과 진화의 주역, 방사선

 

지구 생태계가 존속하게 되는 이유 역시 지구내부의 방사선에 의한 열에너지 및 저에너지 방사선이라 할 수 있는 태양 빛으로 인해 지표면이 적정한 온도를 유지하고 있기 때문이라고 할 수 있다. 지표면의 온도가 계속 올라가지 않은 이유는 지구도 적외선 복사파(저에너지 전자기파)를 끊임없이 우주공간으로 방출하고 있기 때문이다. 만일 방사성 물질 덩어리인 별이 없다면, 별의 폭발로 인해 생긴 무거운 방사성 원자 먼지들이 태양의 중력에 끌려서 결집 생성된 지구의 내부에 방사성 붕괴 반응이 일어나지 않는 다면 지구에 생명체가 탄생하는 일 역시 없었을 것이다. 태양은 지구 생명체의 에너지원이다. 태양-지구거리 1.5km에서 1m2 1370 Watt의 에너지를 저에너지 전자기파인 빛(적외선, 자외선, 가시광선)을 방사하므로 지구전체로는 평균 174xE15 Watt의 에너지를 받고 또 같은 양을 반사 및 적외선 복사파로 내보내고 있기 때문에 지구 표면은 평균 온도를 잘 유지하고 있다. 식물들은 이 에너지를 이용하여 광합성을 하고, 동물들은 동식물을 섭취하여 다양한 단백질을 만들면서 생존과 진화를 하고 있다. 빛이란 생명에게 대단히 고마운 저에너지 방사선이다.


사실 생명의 탄생에도 지구방사선은 기여하였을 것을 추정하고 있다. 지구의 온도가 수억년에 걸쳐 식어가는 과정에서 초기 지구에 소나기처럼 충돌한 운석들을 통해 물이 유입되어 바다가 만들어지고, 38억년 전 깊은 바다 밑 화산 분화구에서 생명이 탄생하게 되었다는 학설이 있다. 단세포에서 출발하여 8억년 전 다세포 생명체로, 4억년 전 해상 생명체에서 육상 식물과 동물로 계속 진화해 왔다. 이 과정에서 세대간 작은 변이는 다양한 지역 환경내에서의 수백 세대의 생존경쟁을 거치면서 다양한 종으로 진화하였다. 현재 지구에는 알려진 생명종이 2백만 종이지만 학자들은 3천만 종이 있을 것으로 추정하고 있으며, 이 수치의 100배에 해당 30억종 정도가 수차례의 크고 작은 사건을 통해 멸종한 것으로 추정하고 있다. 현재의 생명종들은 변화하는 환경에 적응한 변종들로서 생존 경쟁에서 승리한 종들이라고 볼 수 있다. 이러한 생명체의 진화는 수정란의 배아 형성시 유전자 돌연변이라는 무작위적 과정을 통해 탄생한 돌연변이들이 태양 에너지를 기반으로 하는 지구 생태 환경(먹이사슬, 기온 등 기후변화, 성선택)에서 적자 생존한 결과라고 할 수 있다. 변이가 무작위이기 때문에 진화란 엄밀한 의미에서 맞지 않는 말이다. 목적이 있고 그 것에 맞추어 변이가 일어나는 것이 아니기 때문이다. 다만 어떤 변이 유전자가 운좋게 환경에 적응하게 되는 것이다.


지난 수억년 동안 지구에는 수십 차례의 멸종이 있었으며 생명체의 수십%가 멸종하는 대멸종도 5차례 있었다. 65백만년 전 지구에 떨어진 거대 운석에 의해 야기된 5차 대멸종 시기에 공룡이 멸종하고 그 빈 공간에 신생대 포유류의 종분화와 번성이 활발히 일어났으며 7백만년 전 원시영장류로부터 고생인류가 탄생하게 되었다. 우리 호모 사피엔스 종은 20만년 전부터 지구를 정복해 왔다. 한 때 수백에 불과했던 호모 사피엔스 즉 우리 인간은 현재 75억 명으로 늘어나서 타 생명체의 멸종을 위협하는 존재가 되었다. 인간문명의 발전은 지구에 사막화와 온난화를 일으켜 이제 많은 종을 멸종하게 할 6차 대멸종으로 이끌고 있다. 지구 대기 이산화탄소는 현재 400ppm 이고 매년 2ppm 씩 증가하고 있다. 현재 화석연료 사용량을 늘어나지 않고 그대로 유지만 하더라도 10만년 후면 산소가 고갈되는 지경에 이르게 된다. 화석연료는 광합성으로 생성된 설탕이 다른 형태로 저장된 것이다. 설탕과 같이 생성된 자유산소는 많은 양이 바다에 녹아 있거나, 철과 같은 금속의 산화에 사용되고 남은 것이 대기중에 축적되어 현재 20%가 되어 있다. 물리적으로 화석연료의 양은 현재 공기 중의 자유산소보다 월등히 많아 결국 산소가 먼저 고갈되게 되어 있다. 고갈 이전에 아마 1-2만년이면 바다의 산성화와 이산화탄소 중독에 의해 호모 사피엔스를 비롯해서 많은 종이 멸종할 것이다. 이를 막기 위해서는 이산화탄소의 배출량을 줄이는 노력이 유일하다.

 

5. 양날의 칼, 인공 방사선

 

20세기는 과학의 핵심이라고 할 수 있는 물리학이 대 변혁을 주도 한 시기이다. 뉴턴역학과 전자기학, 지질학, 천문학, 생물학 등 기존 학문들의 근본적 질문이었던 물질의 궁극적 구조를 밝히는 데 기여하였기 때문이다. 양자역학과 상대성이론을 근거로 하는 핵물리학의 탄생은 우주의 진화를 밝히는 데 기여하였으며, 방사선이라는 첨단 무기를 인간에게 선사했다. 핵물리의 실현이 곧 방사선이다. 엑스선의 발견과 입자 가속기의 발명은 인류에게 위험과 동시에 도전을 선사했다. 원자폭탄으로 인류에게 소개된 핵공학 기술은 원자력의 평화적 이용이라는 반성하에 원자력발전으로 우리 곁에 다가와 있다. 원자폭탄은 버섯 모양의 방사능 구름을 연상케하며 방사성 화상 및 발암 이란 어두운 면도 가지고 있지만 수천만 인류를 죽음으로 몰아 넣었던 2차대전을 일시에 끝나게 하였고 우리민족에게 해방을 가져다 주었다. 북한이 원자폭탄을 개발하고 있다고 우리도 개발해야 한다는 논리를 펼치고자 하는 것은 아니다.


원자력 발전은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소 방출량이 무시할 정도로 낮으며 발전량당 산업재해율도 가장 낮다. 우리나라의 경우 kWh 당 가장 낮은 발전단가로 전력을 생산하고 있으며 에너지 안보 측면이나 공간 활용도 측면에서도 가장 우수하다. 특히 우리나라처럼 에너지 빈곤 국가에서는 공학적 기술로 외화를 벌게 해주는 우리나라 미래의 가장 훌륭한 먹거리이다. 하지만 체르노빌과 후쿠시마 두 원전사고는 사람들의 머릿속에 원자력 발전에 대한 두려움을 주기에 충분했다. 그렇지만 국제원자력사고등급 7등급의 이 사고들로부터 사실 방사선에 의한 피해는 온갖 루머만큼 그렇게 어마어마하지 않다.


체르노빌 사고를 통해 발생한 방사선에 의한 인명 피해는 사고 발생 초기 화재 진압에 투입되었던 600여명 중 134명이 2200 mSv 이상 피폭되어 급성방사선장해 판정을 받아 그 중 28명이 3개월 내에 사망했다. 인접지역에 사는 116,000 여명이 이주를 해야 했고, 이들 중 많은 사람들이 공포에 떨었다. 하지만 116,000명의 평균 유효선량은 33 mSvUNSCEAR 2008보고서에서 보고되었다시피 방사선에 의한 급성 인명 피해는 없었다. 다만 이주를 통한 공포감과 우울증들이 문제가 되었다. 또한 지표면 제곱 미터당 37 kBq 이상이 되는 오염되었던 지역에 현재 까지 거주하고 있는 68십만 명의 주민 평균 유효선량은 9 mSv 이다. 이 사고로 벨라루시, 러시아연방, 우크라이나 3개국가 전체 국민의 2005년까지 유효선량은 1.3 mSv, 유럽 전체 5억명에 대해서는 유효선량 0.3 mSv의 영향을 줄 것으로 보고되었다. 지역주민 보다 더 많은 피폭을 받은 사람들은 제염복구작업자들이다. 사고 후 87년까지 동원된 226,000명의 경우 평균 피폭선량은 130~170 mSv 이고 이 후 89년까지 총 동원된 작업자는 600,000명으로 이들의 전체 평균 피폭량은 약 100 mSv 정도이다.


체르노빌 사고의 가장 큰 피해는 사고당시 17세 이하 아동들의 갑상선암이 5년 후부터 늘기 시작한 것인데 20여 년간의 추적조사 결과 7,000 여명의 아이들이 갑상선암에 걸리게 되었다. 하지만 2008년 보고 시점까지 사망자는 총 15명으로 사망확률이 0.2% 정도로 통계적 의미를 갖지는 못한다. 체르노빌 사고는 다시는 있어서는 안 될 원전사고이지만 이미 일어난 사고이기 때문에 여기서 교훈을 얻을 수 있다. 사고는 미숙한 조수를 데리고 규정을 어기고 하지 말아야 할 실험을 하다가 났기 때문에 운전원들의 규정준수 및 안전문화를 강화하여야 할 것이다. 또한 체르노빌 원전은 흑연감속재에 화재가 났기 때문에 28명의 사상자가 발생했다고 볼 수 있다. 그리고 오염된 지역의 우유 출하를 통해 갑상선등 인체장기들이 성장기에 있는 소아들이 방사성 요오드-131 (반감기 8) 에 피폭을 받게 되었다. 마지막으로 이주자들이 패닉 상태에 빠지게 된 것이 큰 문제이었다.


체르노빌 사고에 비해 3기의 원전이 노심용융 되었던 후쿠시마 사고는 수습에 동원된 작업자 24,800명중 173명이 100 mSv 이상, 6명이 250 mSv 이상 피폭 받았다. 가장 높은 선량 피폭자는 680 mSv였다. 이들 중 급성방사선증후군 환자는 없었다. 한편 2011년부터 소아 47,780명을 대상으로 매년 검사를 실시하였으며 악성이 의심되는 104명 중 58명이 수술을 받았다. 현재까지 사망자는 없다고 2013년 세계보건기구가 밝혔다.


방사선은 의료분야에서 매우 아니 절대적으로 중요하다. 현대 의학은 방사선을 빼고는 성립하지 못한다. 가장 많이 사용되는 의료술은 엑스선 촬영 (0.07 mSv/), CT 촬영 (3~20 mSv/), SPECT (4~40 mSv/) PET-CT 촬영 (7.8 mSv/), 방사선 암치료 (16,000 ~ 67,000 mSv/) 이다. 한국인의 연평균 의료방사선 피폭량은 0.6 mSv 이다. 의료방사선 피폭에 의한 사고 확률이 높은 경우는 중재적 형광투시술(interventional fluoroscopy)로서 5~ 30분간 방사선을 쪼이면서 척추 등을 수술을 하는 경우로서 담당의사의 경우 수백 mSv 까지 피폭될 가능성이 있다. 의료에서 방사선 진단은 그 결과가 바로 사용할 수 있으며 매우 유용하기 때문에 앞으로도 더욱 늘어날 추세이다. 광계수형 CT와 같이 저선량 CT 및 저선량 핵의학기기 개발이 매우 중요한 연구 테마이다.


방사선의 산업적 이용은 그 범위가 매우 넓다. 방사선기술은 기계, 화공, 전기, 재료 공학처럼 생산분야에 기여하지는 못하지만 방사선 조사를 통해서 특정한 성질을 부가하거나, 생산품의 품질을 평가는 데 중요하다. 화학적 성질의 변화를 이용하는 분야는 가교, 그라프트, 보석가공, 정전기 제거 등이 있으며 생화학적 성질의 변화를 이용하는 분야는 동식물 육종, 식품 및 의료용품 멸균, 곤충불임기술, 폐수 및 배기가스 정화 등이 있다. 또한 방사선의 투과력을 이용하는 분야는 비파괴 검사, 보안 검색, 위작 검사, 연대 측정, 두께/밀도/수분/수위 등의 측정분야가 있으며, 석유 시추에도 중성자 측정이 필수적이다. 방사선 자체의 에너지를 활용하는 분야로는 방사선 형광, 원자력 전지 등이 있다. 그 외에 재료연구, 천체물리학, 지구과학, 생물학, 유전학 등의 연구에 방사선 이용은 필수 불가결한 도구이다. 20세기 들어와 방사선을 이용하는 기술 개발 관련하여 왓슨과 크릭의 DNA 나선 구조 발견등 20여개의 노벨상이 수상된 바 있다.


6. 방사선의 생물학적 효과 및 대응

 

하지만 과다한 방사선 피폭은 인간을 포함한 생물체에 질병을 유발할 수 있고 심하면 사망에 까지 이르게 한다. 방사선 피폭이 인체에 끼치는 영향을 고려할 때는 고준위에서의 단기간 피폭과 저준위에서의 장기간 피폭으로 나누어 논의해 볼 수 있다. 고준위 단기 피폭은 급성 방사선 장해를 일으킨다. 만일 외부 피폭선량율이 자연평균 외부피폭율 0.1 µSv/hr의 백만배 즉 100 mSv/hr 인 곳에서 한 시간 가량 노출되어 100 mSv의 피폭을 받는 경우 당장의 치료가 필요한 증세를 보이지는 않는다고 알려져 있다. 히로시마 원폭 생존자 연구 결과에 의하면 500 mSv를 발단치로 보고 있다. 국부적으로 조사 되었을 경우 장기에 따라 백내장, 단기불임, 폐렴, 골수증, 선천성 기형 등의 증세가 있을 수 있다. 전신 피폭시 증세는 방사선량의 크기에 따라 다음 세가지 증상으로 복합적으로 발생한다. 전신에 1 Sv 이상이 피폭되면 조혈기 증후군이 나타난다. 골수 줄기 세포가 가장 먼저 영향을 받아 하루 내로 림프구 감소, 2~4주에 백혈구 감소, 3~4주에 혈소판 감소로 인한 점상 출혈 및 점막 출혈이 발현될 수 있다. 이어서 적혈구 감소가 일어나서 빈혈증이 발생할 수 있다. 생존하더라도 백혈병으로 이어질 수 있다. 5 Sv 이상되면 조혈기 증후군과 함께 위장관 증후군이 나타나는 데 4~5일의 잠복기 동안 위점막 세포가 죽게 되며 이어서 메스꺼움, 구토, 설사로 인해 탈수 현상이 생길 수 있으며 소화관 괴사로 인해 균혈증과 패혈증이 일어날 수 있다. 적절하게 치료를 받지 못하면 사망에 이르게 된다. 수십 Sv 이상이 되면 뇌혈관 증후군으로 인해 몸이 떨리는 발작과 함께 인지 기능과 운동 기능에 이상이 생긴다. 대부분 하루 이틀 사이에 뇌부종으로 사망한다.


1946년부터 2000년까지 체르노빌 원전 사고(1986426, 우크라이나) 와 고이아니아 치료용 세슘 도난사건 (1987913, 브라질) 등을 포함하여 의료 및 산업 방사선사고 등 원폭 피폭자를 제외하고 전 세계 모든 방사선 사고에 의해 보고된 전세계 사망자수는 200여명 이하로 집계된 바 있다. 방사선 작업자의 경우 직업의 특성을 고려하여 위에 언급한 500 mSv10분의 150mSv가 연 선량 제한치로 정해져있다.


방사선은 술, 담배와 함께 발암 물질이다. 히로시마 원폭 생존자 연구결과 단기적으로 100mSv이상의 선량을 받거나 장기적으로 이 값의 몇 배 이상 선량을 받는 경우 수년 후 갑상선 암을 포함하여 암을 유발할 수 있다고 보고 되었다. 100 mSv 이상 수 Sv 사이의 데이터는 자연암 대비 방사선 발암 확률 6~7 %/Sv, 암사망확률 5 %/Sv의 선형적 증가를 보여준다. 만일 자연평균 외부피폭율의 백배 즉 10 µSv/hr인 저준위 환경속에서 1년간을 장기 거주한다면 100 mSv의 피폭량을 받게 되는 데 이러한 장기 피폭의 경우는 시간에 따른 자연 치유효과가 있기 때문에 일시적으로 100 mSv를 받는 경우에 비해 암 발병율과 같은 생물학적 영향은 매우 낮아지게 된다. 전세계 대부분의 나라에서 일반인의 연선량제한치는 위 100 mSv1%1 mSv로 정해진다. 이에 따라 하지만 전세계인 자연방사선 피폭 연평균치인 2.4 mSv보다도 낮은 값이어서 다소 지나친 감이 없지 않다.


저선량에 의한 인체 영향은 매우 오래된 난제로서 수십만명의 코호트가 필요하므로 실험적으로 규명하기는 힘들다. 100 mSV 이하 저선량 피폭에 의한 발암확률에 대한 학자들간의 논쟁은 1954년 비키니섬 원폭 실험이후 미국원자력학회를 중심으로 병리학자들과 유전학자들간의 뜨거운 논쟁이 있은 이래 현재까지 결론이 없다고 할 수 있다. 선형 비발단치 모델, 선형 2차 곡선 모델, 선형 발단치 모델 등이 제시된바 있다. 많은 방사선 피폭 사례 연구 결과 일부 학자들은 100mSv 이하의 전선량 피폭은 오히려 암에 대한 내성의 증진(radiation homeosis)도 가능하다는 견해가 있기는 하나 아직 국제적으로 받아들여지고 있지 않다. 국제 방사선 방호위원회에서는 방호차원에서 이득이 없는 한 가능한 한 피폭량을 줄이는 ALARA (As low as reasonably achievable) 개념을 정립하였으며, 선형 비발단치 이론에 의해 방호 수단을 강구하되, 이 이론을 사고의 해석에 사용하는 것은 금하도록 권고하고 있다. 따라서 체르노빌 사고 등의 경우 100 mSv 이하의 피폭자에 대해 사망확률이나 사망자 수를 산출하는 일은 부적절하다.

인간의 수명을 70년이라고 보면 4명 중 1명 정도가 평생 1번은 암에 걸리게 된다. 즉 생애 자연 발암 확률이 25% 100명당 25명에 달한다. 이 수치는 국가나 지역에 따라 다소 차이가 크다. 자연 암발병은 노화와도 밀접한 관련이 있어서 발암 확률은 수명이 늘어남에 따라 더 늘어난다. 암사망 확률은 이 보다 낮은 20 % 정도인데 방사선 암치료 등 의료기술의 발달로 일부 국가에서는 계속 낮아지고 있다.


인간 성인은 수십조(1013)개의 세포로 구성되어 있고, 매일 500 gram의 산소를 들이 쉬면서 1~2 kg 정도의 음식을 소비하며 살아가고 있다. 이로 인해 활성산소를 위시로 하는 다양한 라디칼들이 생성되어 세포 1개당 1만 번 정도로 세포의 DNA를 공격하고 있다. 이 상황 속에서 매일 천억(1011)개의 신생 세포가 세포분열로 만들어 지는 데 그 중 백만분의 1 확률로 DNA가 변형된 돌연변이 세포가 매일 수만개씩 만들어 진다. 돌연변이 세포는 대부분 자살을 하거나 성장이 되지 않고 있다가 대식세포에 잡혀 먹히는 데 간혹 살아남는 것도 있고 또 낮은 확률로 고속 성장을 하는 세포가 있다. 이 고속 성장하는 돌연변이 세포가 암세포이며 수년이 걸려 수 mm 크기의 암덩어리로 성장할 수도 있다.


한편 성세포 분열 시나 수정된 세포가 배를 형성할 때 DNA에 돌연변이가 일어나면 기형아가 탄생하게 된다. 기형은 상대적인 개념인데 일상생활에 장애를 느낄 정도의 기형은 100명당 3. 3% 인구가 기형으로 태어난다. 우리나라 7대 도시의 기형아 출산은 표준질병분류에 의해 의료보험을 청구한 데이터에 의하면 지난 15년간 100명당 3.7(3.7%)에서 5.5(5.5%)으로 증가하였으며 그 이유는 오염된 도시 환경 때문으로 추정되고 있다. 가장 대표적인 기형은 단일 유전자 이상에 의한 다운 증후군, 에드워드 증후군, 파타우 증후군, 터너 증후군, 클라인펠더 증후군 등과, 복합원인에 의한 무뇌아, 다지증, 구개열, 척추이개증, 심장이상, 식도이상, 항문폐색 등이 있으며, 기형의 종류는 국내 질병 분류에 의하면 총 100여가지로서 신경계통, 소화계통, 순환계통 등 거의 대부분의 장기에서 일어날 수 있다. 기형아 출산의 원인으로는 유전적이거나 유전자 변이에서 발생할 수 있지만, 임신초기 풍진, 수두, 고양이로부터 전염되는 톡소플라즈마 기생충 감염 등이 원인으로 일부 밝혀져 있다. 고양이 키우는 사람은 주의할 필요가 있다. 대부분의 돌연변이는 사산이 되거나 유아시기 사망을 하며, 설혹 오래 살더라도 자연 환경에 부적격하거나 인간과 같이 사회적 동물의 경우 사회 생활하는 데 불편하여 자손 번식에 불리하지만, 지난 50년간 우리나라에서 변화해온 키가 커진다던가 예뻐진다던가 하는 변이는 선호 대상이어서 성선택시 자손 번식에 유리하게 작용할 수 있다. 현재 우리가 시장에서 볼 수 있는 수많은 과일이나 곡류 등은 불과 1만 년 전만 하더라도 지구상에 없던 것들로 인간이 교배를 통해 변이시킨 것 들이다. 매일 달걀을 생산하는 닭이야 말로 자연상태에서는 말도 안 되는 일을 하도록 인간에 의해 만들어진 괴물 돌연변이인 것이다. 닭 자체가 공룡에서부터 진화되어 온 것이니 그 정도 변이야 약과라고도 말 할수도 있다. 환경이 변화하면 돌연변이가 오히려 우수한 종으로 서서히 적응하는 과정이 진화이다. 엄밀한 의미에서 돌연변이의 의미를 글자 그대로 해석한다면 75억 인구는 모두 돌연변이이다. 이상 설명한 암이나 기형 등의 원인이 되는 유전자 이상이나 세포분열시 발생하는 DNA 돌연변이의 원인물질은 대부분이 활성산소를 비롯한 라디칼로서 즉 공기와 음식물에 기인한다. 여기에 방사선이 추가적인 역할을 할 수도 있지만 고선량을 받은 동물과 식물을 제외하고 아직 방사선 조사에 의한 인간 기형에 대한 공식 보고는 존재하지 않는다. UNSCAER 보고서에 따르면 1983년부터 1999년까지 벨라루시에서 선천성 기형아 출산율이 2배 정도 (0.5 %에서 1 %) 서서히 증가한 이유는 사고후 등록율의 증가로 간주된다고 한다. 더욱이 저오염지역(1.1 %)이 고오염지역(0.9 %)보다 0.2 % 포인트 더 많이 등록되었다는 사실은 위 주장을 뒷받침한다고 생각된다.


인체 장기가 실제 영향을 받는 피폭량의 실질적인 문턱값 (100 mSv)에 비해 방사선 시설이나 기술 적용은 훨씬 낮은 선량 수준에서 규제되고 있다. 일반적으로 자연평균 외부피폭율인 0.1 µSv/hr의 백배 즉 10 µSv/hr인 원자력 또는 방사선 시설내 구역은 방사선구역으로 지정되어 일반인의 출입을 금하게 되며 방사선 작업자만이 출입하게 된다. 하지만 방사선 작업자도 연평균 20 mSv (최대 50 mSv) 이내의 피폭만을 허용하고 있다. 이는 10 µSv/hr 공간에서 2000 시간 피폭받는 것에 해당된다. 만일 20 mSv를 한 시간 선량값이라고 보면 외부피폭율은 자연평균 1시간 외부피폭율 0.1 µSv2십만배에 해당된다. 원자력시설 중 자연평균 외부피폭율의 천배 즉 100 µSv/hr 이상인 구역은 고준위구역으로 정해 특별히 관리하고 있다. 일반인 지역이 방사선 누출사고로 자연평균 외부피폭율의 열배 즉 1 µSv/hr 이상이 되면 경고를 발생하고 식품섭취를 제한하게 되며, 자연평균 외부피폭율의 만배 즉 1 mSv/hr 이상이 되면 즉각적인 대피경보를 보내게 된다. 후쿠시마 원전 사고의 경우 일본 정부는 ICRP 일반인 연간 피폭선량한도 권고치인 1 mSv1일만에 받을 수 있는 40 µSv/hr, 즉 자연평균 외부피폭율의 400배 되는 지점 (사고원전으로부터 반경 30 km)을 기준으로 주민 소거를 실행하였다. 거주 금지 구역밖이라도 세슘 농도가 37kBq/m2 이상인 지점(이 지점 거주한다면 연평균 외부피폭선량은 0.15 mSv 정도이다)을 오염지역으로 지정하였으며 체르노빌 사고 주변은 당시 6백여만명이 살고 있었다. 이들의 사고 후 20년 누적 피폭량은 9 mSv였으며 전생애 피폭량은 12 mSv정도이다. 세슘의 표면 농도가 240 kBq/m2인 구역에 사는 사람이 있고 하루 8시간은 옥외에서 하루 16시간은 옥내에서 거주한다고 하면, 이 사람의 세슘에 의한 연평균 외부 피폭량은 국제방호위원회 제한치인 1 mSv가 된다. 체르노빌에서는 555 kBq/m2 (외부피폭 기준 ~2 mSv/yr) 이상 지역을 영구폐쇄하였다.

 

7. 맺는말

 

입자수로 따져보면 일상생활에서 매초 수십만 개의 전리방사선이 우리 몸을 두드리고 있다. 이처럼 우리 인간과 자연 생물계는 매 순간 순간 방사선의 샤워를 받으며 살아가고 있다. 또 지구 모든 생명체는 방사선 환경 속에서 진화해 왔다고 해도 과언이 아니다. 지구내부, 지구외부 그리고 심지어는 지구표면, 우리 몸 그 어느 곳에도 방사선이 없는 곳은 없다. 이 우주의 구성요소의 99.999%가 방사선이다. 단지 안정된 동위원소가 지구와 달, 그리고 화성 등 행성에 미량 존재할 뿐이다. 태양 에너지 역시 핵융합에서 생성된 에너지가 방사선 입자들의 운동에너지로 전환된 것이며 태양광 발전, 바이오에너지, 석탄 과 석유 등 화석에너지 모두 다 그 근본적 기원은 핵에너지이다. 지구 기후 변화나 지각 변동, 생명활동 모두 다 근본적으로 지구방사선에 의해 일어나는 현상이므로 풍력발전이나, 조력발전 등 역시 그 기원은 핵에너지에서 나온 것이다. 방사선에 대한 인식의 전환이 필요한 시점이다.


방사선기술 및 원자력공학은 방사선 또는 방사성물질을 안전하게 제어하는 기술을 개발하고 방사선의 장점을 최대한 살려서 인간의 삶의 질과 문명을 발전시키기 위한 학문이다. 원전사고나 기타 사고로 누출되는 방사성물질이나 이것에서 방출되는 방사선은 기준치 이상이 될 경우 인간과 환경에 피해를 줄 수 있으므로 철저히 차폐, 감시, 평가, 관리하여야 한다. 이에 비해 인간의 질병을 진단하고 치료하는 데 사용되거나, 공산품이나 건축물, 기계류의 품질 관리 및 각종 유익한 화학물질의 생산에 사용되거나, 농식품의 품종개량 및 살균 멸균 그리고 나노 및 바이오 과학 등에 사용되는 방사선은 인간의 삶의 질을 개선해주며 다른 기술로서는 해결하기 어려운 문제를 용이하게 해결해주는 뛰어난 장점을 동시에 가지고 있다. 원자력발전은 방사선의 가장 중요한 응용이라고 할 수 있다.


방사선을 두려워할게 아니라 정확하게 이해하고 잘 다루면 방사선은 매우 잘 드는 보검과 같다. 어느 환경론자는 플루토늄 1 gram 이면 백만명을 죽일 수 있다고 한다. 나에게 칼 한 자루만 있으며 인류전체를 죽일 수도 있다는 논리다. 인류는 백만 년전에 불을 사용하기 시작하였고, 5천 년 전에 청동검을 만들었다. 그리고 130 년 전부터 자동차를 사용하여 왔다. 매년 화재사고와 자동차사고로 몇 명이 사망하는 지를 보라. 그토록 위험한 불과 자동차를 우리는 왜 버리지 못하는가? 그 것들을 잘 관리할 수 있기 때문이다. 상대적 위험도(risk)와 경제적 편익(benefit)을 과학적 근거를 가지고 객관적으로 분석했을 때 우리는 이성적으로 판단할 수 있다. 인간은 이성을 추구하지만 충동구매나 부화뇌동, 착시현상, 군중심리 등 많은 경우에 감성이 대부분의 선택을 지배한다. 도깨비나 귀신을 무서워한다. 알고 보면 빗자루 인 것을. 인간의 역사에서 천둥과 번개도 무서워 한 적이 있었다. 이제 방사선에 대한 막연하고 모호하며 근거 없는, 알고 나면 허탈할 정도로 아무것도 아닌 것에 대한 공포심을 버리고 그 것의 본질적인 정체를 정확히 이해함으로써 방사선에 대한 공포로부터 벗어나보자.


<첨부 : 방사선량 및 방사능의 단위>

 

방사선량의 단위인 Sv는 인체조직이 피폭되어 흡수한 방사선에너지를 조직의 무게로 나눈 값에 방사선의 종류에 따른 가중치를 곱한 값으로, 인체조직 1 Kg에 감마선이나 전자선에 의해 1 Joule의 에너지가 부가되어 전리현상 등을 일으켰을 때의 방사선량을 1 Sv라고 정의한다. 알파선이나 중성자선의 경우 생물학적 영향의 가중치는 5배에서 20배 정도로 증가한다. 1 mSv1000 분의 1 Sv 이다.

방사능의 단위인 Bq은 어떤 방사성 물질이 초당 1개의 방사선을 방출하는 능력을 나타내는 단위로서 전자공학의 Hz와 마찬가지로 1/sec 이다. 1 KBq1000 Bq 이다.

본 글은 한국방사선진흥협회에서 발간하는 방사선 및 방사성동위원소 회보’ 5/6월호 및 7/8월호에 게재되었다

 


 

한국방사선산업학회장

한국과학기술원 교수 조규성

 

 


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