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| 경수소 | 중수소 | 삼중수소 |
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1. 개요
삼중수소는 수소의 방사성 동위원소다. 더불어 가장 가벼운 방사성 동위원소이기도 한다.2. 설명
- 기호 = [math({}_1^3\mathrm H)] 또는 [math(\mathrm T)]
- 한자 = 삼중수소(三重水素)
- 영어 = 트리튬(Tritium)
- 중국어 = 츄안(氚, 트리튬 천, Chuān)
- 1개의 양성자, 2개의 중성자로 원자핵이 구성되며, 추가적인 중성자의 질량 때문에 보통의 수소보다 3배 가량의 질량을 가진다.
- 1934년 원자핵을 발견한 어니스트 러더퍼드에 의해 처음 발견되었다.
- 전자를 내놓으며 붕괴하는 베타 붕괴를 하여 헬륨-3으로 변한다.
- 반감기는 12.32년이다.
3. 용도
3.1. 핵융합 발전
핵융합 발전 문서가 다루듯, 핵융합 발전용에서의 반응은 중수소-삼중수소(D-T) 반응이 주로 연구된다.3.2. 핵무기
핵융합이 주 반응인 수소폭탄(열핵폭탄)과 중성자탄에서는 핵융합발전과 마찬가지로 중수소-삼중수소 반응의 재료로서 쓰인다. 수소폭탄은 1차 폭약으로 플루토늄 원자탄을 폭발시켜 거기서 나오는 중성자를 리튬에 쏘여 삼중수소를 대량 생성하고 폭발에서 나오는 강력한 X 선의 압력과 에너지로 삼중수소를 압축 가열해 핵융합을 일으킨다. 즉, 수소폭탄의 진짜 폭발력을 내는 폭약이 바로 삼중수소다.삼중수소를 핵폭탄 제조 때 사용하지않는 이유는 삼중수소를 원자로 등에서 공업적으로 충분히 만들기도 비싸고 어렵고 반감기도 짧고 또 기체또는 액체(삼중수소수) 형태라 고체인 리튬보다 보관이나 사용하기 어렵기 때문에 수소폭탄 폭발시에 고체 리튬을 삼중수소로 핵변환해 사용하는 것. 수소폭탄 개발의 초기에는 자연상태의 리튬동위원소 (7Li)의 삼중수소로 변환비율 자료가 부족해서 예상보다 훨씬 많은 삼중수소가 생성되어 캐슬 작전/브라보 실험은 예상보다 2.5배인 15 메가톤의 폭발력을 보여 근해의 민간인들이 피폭 당하는 기도 했다. 실제 수소폭탄은 변환비율이 높은 리튬 동위원소(6Li)를 쓰는데 자연에서 5%에 불과해 이를 농축해서 비율을 높이는데 이 고농축 6Li 은 핵개발의 핵심적 물질 [1] 로 여겨진다.
또 핵분열이 주 반응인 원자폭탄에도 약간의 핵융합 반응으로 핵분열을 강화 유도하여 폭발력을 늘리는데도 쓰인다. boosted fission weapon, 더 정확히는 fusion-boosted fission weapons 이라고 한다. 핵물질의 중심에 중수소와 섞어 넣어서 핵분열에서 나오는 고온고압을 통해 중수소-삼중수소의 핵융합 반응을 유도하고, 이 핵융합을 이용해 핵분열 폭발력이 높아지도록 하는 것이다. 핵융합 자체에 의한 폭발력 증가는 별 게 없지만 (핵분열의 1% 정도), 중성자가 많이 발생하는 것이 폭발력을 강화하는 역할을 한다. 좀 더 자세히 말하자면, 원자폭탄이 폭발할 때 준비된 핵물질이 모두 폭발하는 것이 아니라, 대개 일부만의 핵물질이 폭발하고 만다. 전체 핵물질의 일부가 폭발했을 때의 열과 압력으로 인해 나머지 핵물질이 흩어져 날아가버리기 때문이다.[2] 이런 상황에서 중성자가 많으면 짧은 시간에 최대한 핵분열이 일어나게 되어, 흩어지기 전에 더 많은 핵물질이 분열하게 된다. 이런 중성자를 추가 공급하는 역할을 삼중수소의 핵융합이 하는 것이다. 삼중수소는 평상시 외부 용기에 저장했다가, 발사 준비과정에서 코어 중심으로 주입한다. 리튬 화합물로 코어 중심에 내장시키려는 시도도 있었으나, 트리튬은 반감기 12.3년으로 비교적 짧아 빈번한 교체가 필요하므로, 현재는 교체가 용이한 가스 형태로만 사용된다.
위력이 큰 원자폭탄 또는 수소폭탄의 개발에 꼭 필요한 재료이므로 국제적 거래가 까다롭고 엄격하게 관리된다.
3.3. 야광
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| 야광 시계에 사용된 예 (Prometheus Watch)[3] | M1911 권총의 기계식 조준기에 적용된 예[4] |
삼중수소를 인으로 둘러싸면 빛이 나는데, 삼중수소가 붕괴하면서 나오는 베타선이 형광 물질인 인에 충돌하여 빛이 나는 것이다. 옛날에는 비슷한 용도로 라듐과 프로메튬이 사용되었지만 이것은 위험성이 커서 사용이 금지되었다. 다만 반감기가 12년 정도 밖에 되지 않아 시간이 지나면 빛이 흐려지는 것이 단점. 실제로 아래 사용례에 K시리즈 소총도 있으나, 대부분 오래되어 제대로 보이지 않는다. 전세계 야광용 삼중수소 소비량은 연간 400 그램 정도로 많지 않다. 야광시계-권총엔 2~3억 베크렐, 비상구 안내등에는 9000억 베크렐의 삼중수소가 사용된다. #
3.4. 기타
핵실험(또는 후쿠시마 사고 원전수)으로 인해 생긴 삼중수소의 흐름을 추적해서 바다 생태계의 이동 경로라든가 조류 흐름을 추정하는데 사용되기도 한다.다른 방사성 동위원소와 마찬가지로, 대학 연구실에서 이화학 실험에 이용된다. 특히 생명과학분야. 수소가 들어가지 않는 영양물질이나 단백질은 없기 때문에, 트리튬이 방사성이 약하지만 표지로 사용할 수 있다. 치료와 진단 등 의료용도도 개발되었다.
4. 생성
2023년까지 전세계 역사상 생성된 삼중수소의 총량은 21kg 정도에 불과하다. 수소폭탄(열핵폭탄) 제조에 쓰일 수도 있어서 일정량 이상 생산은 허가를 받아야 한다.- 리튬 방식 - 연 2.5kg. 삼중수소의 대다수는 리튬 방식으로 인공적으로 생산되고 있다.
- 중수 방식 - 대략 중수로에서 연 1.4g, 경수로에서 연 0.03g이 생산된다.[5]
- 자연 상태 - 우주 방사선 (및 과거 대기권 핵실험에 의해) 만들어지지만 반감기도 길지 않아 총 3.5kg에 불과하다.[6]
4.1. 리튬 방식
리튬 계열의 증식재(브리더, Breeder)가 포함된 핵융합로 블랭킷(Breeding Blanket)에 중성자를 쐬어 생산하는 방식이다. 인공적으로 대량의 삼중수소를 생성할 수 있는 방식이다.2016년 8월, 대한민국의 한국핵융합에너지연구원이 리튬 티타늄 산화물(Li2TiO3)을 이용해 직경 1㎜ 크기의 볼 형태의 고체형 삼중수소 증식재를 세계 최초로 개발했다. 한국의 중소기업인 IVT와 함께 연간 50㎏ 이상 균일한 형태의 대량 생산이 가능한 제조 시스템을 구축했다. #, #, 2021년 기술 재소개
2017년, 미국의 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소에서 25년간 근무한 다니엘 재스비(Daniel Jassby) 박사는 핵융합 발전의 난제 중 하나로 삼중수소의 생산, 회수, 연소, 간접적 전력소비 등을 들었다. #
4.2. 중수 방식
중수로에 있는 중수가 중성자를 먹어 삼중수소로 변환되는 방식이다. 이 방식은 중수의 중성자 흡수율이 낮아, 생산량도 적고 효율도 낮지만, 방치하면 삼중수소가 외부로 나가 방사능 오염을 일으키는 것을 방지하려는 목적이 더 크다. 이 방식을 이용할 경우 삼중수소를 포함한 수증기가 약간 새어 나오므로, 발전소 인원들은 필터와 냉각재가 있는 마스크통을 사용하여 수증기를 물로 냉각시켜, 삼중수소가 호흡기에 침투하여 내부 피폭되는 것으로부터 방호한다. 그래서 중수로에는 중수냉각재에서 삼중수소를 분리해서 포집하는 설비가 필수적으로 필요하다. 현재 전세계에서 상업적으로 판매되는 삼중수소는 대부분 이런 중수로에서 폐기물로 나오는 삼중수소를 포집한 것이다. 경수로 에서도 월등히 양이 적기는 하지만 경수로당 연간 0.03 그램 정도의 미량의 삼중수소가 생성되다.2020년, 캐나다-영국 운반 시 삼중수소가 g당 3만불이나 했다.[7] 이 이유는 삼중수소의 상업적 공급원은 19기의 '캐나다 중수소 우라늄 원자로(CANDU)'의 생산물이 대부분인데, 2030년 28kg 가량의 비축량을 정점으로, 향후 사용예약량에 따르면 2050년 고갈될 예정이기 때문. 핵융합 발전이 상업 단계에 이르면 대량의 중성자로 삼중수소를 스스로 생산할 수도 있겠지만, 상업화 이전에 연구용-실증용으로도 턱없이 부족하지 않냐는 지적이다. #
한국도 월성 CANDU 중수로에 무려 5.658kg을 회수 보관중이지만 (2020년 말 기준. 2천억원 가치 가량) 국제사회의 허가절차가 까다로워서 상업적 판매가 이루어지지 않고 국내 수요량을 수입중이다. 삼중수소는 반감기가 짧아 장기보관이 불가능하므로 사실상 무익하게 소모하는 셈.
2023년, 대한민국 한수원이 루마니아의 체르나보다 원전의 삼중수소제거설비(TRF) 건설사업을 수주했다. 2600억원 규모. #
5. 위험
5.1. 기준
| 방사성 동위원소 | ||||
| 반감기 | 방출 방사선 | 위해등급 | 비방사능 | D값 |
| 12.3년 | 베타선(-)(100%) | 5(Blue)[8] | 3.59×1014 Bq*g-1 | 2×103 |
삼중수소는 전하를 가진 베타 입자 즉 베타선을 방출하며, 매우 약해서 피부 각질층은 커녕 공기를 겨우 6mm 뚫는다. 하지만 삼중수소를 먹거나 마시게 되는 경우 몸 내부에서 직접 방사선을 맞게(피폭되게) 된다. 감마선에 비해 투과력이 상대적으로 약한 삼중수소 베타선은 세포조직이나 장기 내부를 벗어나지 못하고 집중적인 내부 피폭을 일으킨다.
하지만 삼중수소를 쓰게 된 이유 자체가 라듐이나 프로메튬보다 훨씬 안전하기 때문이다. 무엇보다 자연계의 물이나 음식에도 어느 정도 비율로 있다. 따라서 국제사회는 원전의 삼중수소 방류 기준을 두고 있다.
- 국제방사선방어위원회(ICRP)는 극미량의 방사선 역시 암의 원인이 될 수 있다고 보아, LNT(Linear Non-threshold)를 기준으로 원자력 발전소 주변 식수의 삼중수소 농도를 규제한다.
- 세계보건기구(WHO)와 국제원자력기구(IAEA)는 리터당 10,000 베크렐(Bq)을 배출 상한 기준으로 삼는다. 이를 지속적으로 마시는 사람의 경우 연간 0.5 µSv의 방사선에 피폭당하는데, 이는 연간 자연방사선 노출량 2.5mSv~3mSv의 절반에도 못 미치는 수치다. #
- 국가별 음용수 기준치는 호주 74,103 Bq/L, 핀란드는 30,000 Bq/L, 미국 740 Bq/L다. 방류 기준치는 한국 40,000 Bq/L, 일본 60,000 Bq/L다. #
5.2. 먹이사슬 농축 논쟁
| 원전들은 자연계의 물 수준으로 삼중수소를 희석 방류하며, 생물농축이 되지 않는다는 주장 측 |
- 2004년 영국 건강보건국은 삼중수소는 화학적으로 수소와 완전히 동일해 농축 가능성이 없다는 내용이 언급된 보고서를 냈다. 주 내용은 생물농축에 관한 것이 아닌 삼중수소 유기결합의 위해성 여부이고, 생물농축이 일어나지 않는다는 것은 과학계에서 통상적으로 진실로 받아들여지는 대전제로 언급되었다.
- 2011년, 후쿠시마 사고 직후 일본 수산성은 "(삼중수소는) 먹이연쇄를 통해 물고기 체내에 거의 축적되지 않는다"고 발표했다.
- 2021년 4월 14일, 대한민국 원자력안전위원회는 이전 해(2020)에 일곱 차례의 전문가 간담회를 진행했고, "생체에 농축되기 어려우며 수산물 섭취 등으로 인한 유의미한 피폭 가능성이 매우 낮다", "(오염수가 국내 해역에 들어올 가능성은) 해류에 따라 확산·희석돼 유의미한 영향은 없을 것"으로 평가했다. #
- 2023년 4월 26일, 대한민국 원자력안전위원회가 기자간담회를 열고 각종 궁금증을 상세히 답변했다. 임승철 원안위 사무처장은 "삼중수소는 100mSv까지는 유의미할만한 인체적 영향이 없다는 게 국제적으로 받아들여지고 있는 기준", "삼중수소는 세슘과 달리 농축이 되지 않는다", "삼중수소를 먹더라도 몸에서 배출되기 때문에 과하게 우려할 필요가 없다", "삼중수소는 많이 먹더라도 10일이 지나면 절반 정도인 50%가 빠져나가고, 다시 10일이 지나면 또 25%가 빠져나가기 때문에 이런 부분들을 다 고려해서 방사성 영향 평가를 하고 있다" 등을 말했다. #
| 삼중수소가 유기결합하고(OBT) 그것이 먹이사슬을 통해 상위 포식자에게 생물농축이 된다는 주장 측 |
- 2021년 4월 27~28일, 미국 티모시 무쏘 (Timothy Mousseau) 사우스캐롤라이나 대학교 생물학과 교수[9]는 서울 전경련회관과 부산 시민운동지원센터에서 그린피스가 개최한 기자회견을 가졌다.
- 그린피스의 27일자 공식 보도자료 - 생체 농축을 강조했다. "삼중수소 피폭의 영향이 먹이사슬 상위 단계로 갈수록 커지고, 특히 여러 세대를 거쳐 축적되면서 종 유전자 변형을 가져올 수도 있다", "체르노빌의 들개 사례처럼 후쿠시마도 방류를 시작하면 주변 생태계에서 많은 생물들의 유전 정보가 바뀔 가능성이 높다", "식물성 플랑크톤 세포에 축적된 유기결합 삼중수소가, 먹이사슬 상위 개체인 홍합으로 옮겨져 생물 축적의 가능성을 보여줬다"
- 연합뉴스의 28일자 공식 인터뷰 - "도쿄전력의 실험 샘플이 3개 종 밖에 되지 않아 더 포괄적 연구가 필요하다", "박테리아부터 최상위 먹이사슬까지 더 많은 생물학적 개체군을 대상으로 실험해야 하고 수백개의 생물종의 유전체를 살펴보고 이를 바탕으로 삼중수소가 전체 생태계에 미치는 영향을 파악할 수 있어야 한다", "특히 정자에 미치는 영향이 커 다음 세대에 영향을 끼칠 수 있다"
- 2023년 4월 16일, 숀 버니 그린피스 원자력 수석 전문위원이 성명서를 발표했다. "(이미 앞서 작년 12월, 100개 이상 기관이 가입한 전미해양연구소협회가 공동성명을 통해) 오염수 내 방사성 물질이 생물 체내에 축적되거나 유기적으로 결합하는 생물학적 과정 또는 해저에 누적되는 과정을 통해 저서 생태계를 위협할 수 있다고 발표했다", "DNA나 특정 조직 및 장기 등 생물의 대사 경로에 영향을 미치기 때문에 먹이사슬을 통해 해양 생물을 섭취하는 인간의 건강도 위협할 수 있다" 등을 말했다. 그린피스 공식 보도자료
5.3. 국내 사례
1983년부터 가동한 월성 원자력 본부는 고리·울진·영광 등 나머지 세 곳과 달리 국내 유일한 중수로로, 삼중수소 유출 논란이 집중된다.- 2011년 3월, 월성원전 5km 이내에서 평균 23.6 Bq/L이 검취되었다. 이는 연간 식사로 섭취하는 자연방사선의 1000분의 1 수준이다.
- 2014년 9월, 월성원전에 대해 민간환경감시기구가 용역을 실시했다. #
- 2020년 6월, 한국수력원자력이 작성한 '월성원전 부지 내 삼중수소 관리 현황 및 조치 계획'에 따르면 3호기 터빈 건물 하부 지하수 배수로 맨홀의 고인물에서 리터당 71만 3000 Bq의 삼중수소가 검출됐다. 한수원은 누수가 아니라 정상적인 집수 과정이라고 해명했다. #
- 2021년 1월, 월성원전 인근 주민들의 평균 삼중수소 검출량은 1차조사에서 5.5 Bq/L 연간 피폭량은 0.6μ㏜(마이크로시버트), 2차조사에서 검출량 3.1 Bq/L 이며, 연간 피폭량은 0.34μ㏜인데, 이는 연간 식사로 섭취하는 자연방사선의 5000분의 1 수준으로 무의미한 수준이다. #1, #2
- 2021년 3월, 원자력안전정보공개센터 산하에 "월성원전 삼중수소 민간조사단"이 출범했다. 홈페이지
- 2022년 9월, 조사단이 2021년 12월 촬영한 '누설 영상'을 공개했다. 원자력안전위원회는 2022년 5월에 수리를 완료했으며, 영상 공개는 협의회에서 의견이 첨예하게 나뉜 사안이었다고 답했다. #
- 2022년 10월, 원자력안전위원회가 2020년 6월 보고서 내용을 숨겨왔다거나, 지하 기둥이 관통했더거나 등의 주장을 하는 언론에 반박했다. #
- 2023년 3월, 조사단이 내부 낡은 배수배관에서 삼중수소가 지하수로 누출됐다고 밝혔다. 조사단은 지하수 일부 관측정에서 물 1리터에 삼중수소가 2천100 베크렐로 방류 기준치를 초과했으나 인체에는 안전한 수준이며, 식수-농지엔 안 흘러가고 바다에 간다고 밝히고, 원전 에 시정을 요구했다. #
- 2023년 5월 31일, 도리어 월성원전 주변 암 발생이 전국 평균보다 현저히 낮다는 점이 밝혀졌다. #
- 2023년 6월 8일, 환경부가 월성원전 주민건강영향조사 결과를 발표했다. MBC, 안동MBC
- 원전 5km 반경 주민 960명의 삼중수소 검출량은 평균 7.90Bq/L으로, 연간 식사로 섭취하는 자연방사선의 2000분의 1 수준이었다.
- 100 Bq/L 이상으로 높게 나온 20명을 대상으로 연구팀이 추가로 생물학적 선량 평가를 실시했고, 절반 이상이 염색체가 손상될 만큼 피폭된 것으로 추정했다. 다만 연구팀은 삼중수소 검출 없이 염색체가 손상된 주민도 있어, 원전과 관련성을 유보했다. 환경운동연합은 "유전자 변형이 생애 기간을 두고 월성원전 주변에서 일어난 것으로 충분히 추정가능한데, 1회 체내 삼중수소 결과를 가지고 관련이 없다라고 결론을 낸 것은 너무 성급"하다고 주장했다. 환경부는 이에 "누적 선량에 대해서 전국에 대해서 조사한 (대조)자료가 없어 계속 연구가 필요"하다고 답했다.
5.4. 일본 사례
1971년부터 가동한 후쿠시마 제1 원자력 발전소는 경수로지만, 2011년 사고가 발생하자 가열을 막고자 계속 냉각하며 삼중수소 오염수가 생겨나기 시작한다. 매년 양이 늘어 2021년 4월 13일 후쿠시마 오염수 방류를 결정해 논란이 발생했다. 캐릭터까지 만들어 논란을 더 했다. 해당 문서 참고.
5.5. 기타 해외 사례
원자로 중 삼중수소가 나오는 중수로 중 가장 대표적 모델은 캐나다의 CANDU형이며, 1962년 온타리오주부터 보급되었다.- 1979년, 미국 캘리포니아대학 로우리돕슨 팀은 저농도의 삼중수소도 장기간 노출했더니 동물실험 시 생식세포를 완전히 파괴했다며 우려했다. 논문
- 1988년, 캐나다 퀘벡의 CANDU형 원전인 젠틀리 원전의 삼중수소 배출량이 너무 많음이 캐나다 오타와의 시민단체에 의해 밝혀져, 주정부가 주변 농지를 모두 매입해 국유지화했다. 1977년 삼중수소 배출량이 가장 많았을 때 피커링시의 신생아 사망자 수 역시 최대였다. 이후 '핵의 책임을 위한 캐나다인 연맹 (Canadian Coalition for Nuclear Responsibility)'이 삼중수소 배출을 감시하기 시작한다.
- 1993년 12월, 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소 스트라우메 팀은 삼중수소에 피폭되면 암, 유전자 영향, 기형아, 생식기관에 영향을 미친다고 논문을 냈다. 논문
- 2003년 4월~, 유럽방사성위원회(ECRR) (영문위키)가 간행물을 내기 시작했다. 삼중수소가 DNA 구성에 사용된 후 헬륨으로 붕괴하면 DNA 이상이 생길지 모른다는 가능성을 제기하기 시작했다. 다만 이 단체는 이름과 달리 EU의 공인된 과학기구가 아닌, 유럽녹색당에 소속된 사립단체다. #
- 2023년 3월, 미국 미네소타 원전에서 삼중수소 오염수 150만리터가 누출되었음을 밝혔다. 하지만 외부 식수로 섞이게 나가지 않도록 격리했으며, 회수작업에 있다고 밝혔다. #
6. 관련 문서
7. 외부 링크
대한민국 주요 해약 삼중수소 안전 정보 https://justswipe.me/are_our_oceans_safe/[1] 농축과정의 불순물로 수은을 함유해 흔히 붉은 수은이라는 암호로 불린다.[2] 히로시마 원폭의 경우 핵물질의 1.3%만이 폭발했다.[3] 원저자:Autopilot[4] 원저자:Wiki Phantoms[5] 후쿠시마 원전은 경수로였기에, 2011년 사고 이후 2023년까지 삼중수소 유출량은 3g 가량에 불과하다.[6] 여담으로 항성의 핵융합 연료로 오해하는 경우가 흔히 있으나, 항성의 핵융합 과정(양성자-양성자 연쇄 반응 및 CNO 순환)에는 삼중수소가 일절 관여하지 않는다. 적색거성의 경우 S-과정에 의해 삼중수소가 생성될 수 있으나, 핵융합 과정에서 직접적으로 소모되거나 얼마 안 가 헬륨-3으로 붕괴해 버리므로 항성 내에는 삼중수소가 사실상 없다고 보면 된다.[7] 중수는 보통 그램당 15달러 정도이다.[8] 가장 낮다.[9] 미국 국립과학원 방사선 영향 자문위원 역임. 체르노빌-후쿠시마 방사능 노출 생물의 DNA 영향을 연구해 130여건의 논문을 발표. 후쿠시마 수산물 분쟁 과정에서 한국 측 자문을 맡고 WTO 소송에서 감정인(Expert Witness)으로 참여.