후쿠시마 방출 핵종과 계측

이 글은 방사선전문가인 분의 블로그를 참조해서 작성하였습니다

참조한 블로그 : https://blog.naver.com/radsafe/221080037831

1. 원자로 내 방사성핵종

 

◆ 총 1,700여 개 핵종. 반감기는 수 초 ~ 수만 년. 대부분 수 분 이내.

◆ 고수율 핵종은 FP (Cs, Sr, I, Xe, Kr, Te), 방사화생성물(Co, Mn, Fe), 액티나이드 계열 핵종(U, Th,  Pu)

◆ 고수율 저비등점 강휘발성이라, 쉽게 기체상태로 배출되어 환경 영향을 주는 대표적 핵종은 Cs-137과 I-131.

 

2. 감마선 측정(Cs-137) - 내용 생략

 

decay scheme of Cs-137

◆ 전처리(어류)

    - 약 10 kg 생체 시료 채취 → 가식부위 도려냄 → 건조 → 가열 및 회화 → ash

◆ 계측

    - 약 8만 초 (22.2h) 계측

    - 측정 정밀도 : 어류 (0.02 Bq/kg-fresh), 토양 (1 Bq/kg) 

      (이미 핵실험에 의해 오염되어 있으므로) 

 ◆ 환경 중 Cs-137 : 어류 등 생체시료는 N/D ~ 2.5 Bq/kg, 토양은 0.78~156 Bq/kg 

 ◆  시료채취 ~ 계측까지 1주 정도 소요.

 

3. 베타선 측정 (Sr-90)

decay scheme of Sr-90

◆ 전처리(어류)

    - 약 5 kg 생체 시료 채취 → 가식부위 도려냄 → 건조 → 가열 및 회화 → ash 20g → 질산 또는 과산화수소수로 잔류 유기물을 제거 → 발연질산으로 녹여 방해원소(Mg, Ca, Ba등 S과 같은 II족 원소) 제거(또는 이온교환법으로) → Sr 분리

    - 방사평형 위해 14일 이상 방치 (측정시 Sr-89 방해 안받게)

◆ 계측

    - 사실은 Y-90의 베타선을 측정하고, 방사평형식으로 Sr-90 방사능을 계산해 내는 것. 100분 계측.

    - 측정 정밀도 : 어류 (3 mBq/kg-fresh), 토양 (0.1 Bq/kg)

    - Gas Proportional Counter 또는 Liquid Scintillation Counter 사용

◆ 환경 중 Sr -90 : 모든 환경 생체 시료에는 ‘불검출 ~ 35.9' mBq/kg. 토양은 0.167 ~ 25.4 Bq/kg.

◆ 시료채취 ~ 계측까지 4주 소요.

 

4. 알파선 측정 (Pu-239)

 

◆ Pu-239는 5.156 MeV 알파선 방출. 반감기 24,110년.

◆ 전처리(어류)

    - 약 5 kg의 생체시료 채취 → 가식부위 도려냄 → 건조 → 고열 가열 및 회화 → ash 10g (여기까지는 Cs-137, Sr-90과 동일) → Pu 추적자 첨가 → 질산 또는 과산화수소수로 잔류 유기물 제거 → Fe공침법으로 Pu 회수 → 음이온 교환법 또는 추출크로마토 그래피법으로 다시 플루토늄을 순수분리 → 방사성플루토늄 측정

◆ 계측

    - 일부 감마선을 방출하나 에너지도 매우 낮고, 감마선 방출률도 낮아, 감마선분광법은 불가

    - 알파분광기(Alpha Spectrometer) 또는 고분해능 유도결합플라즈마 질량분석기(HR-ICP-MS : High Resolution-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer) 사용.

    - 알파분광기로 Pu-239와 Pu-240을 동시 측정. 또는 HR-ICP-MS로 Pu-239와 Pu-240을 각각 측정.

    - 알파선분광기는 200,000초(약 55.5시간), HR-ICP-MS는 3분 계측.

◆ 환경 중 Pu-239

   - 모든 환경 생체 시료에는 ‘불검출 ~ 0.0653 mBq/kg’. 토양은 0.005 ~ 수 Bq/kg 정도.

   - 토양 시료 검출하한치는 약 5 mBq/kg.

◆ 시료채취~ 최종 계측까지 약 2주 소요.

◆ Pu 동위원소들의 상대 존재 비율을 이용, 환경시료에서 측정한 방사성플루토늄들이 어떤 기원에서 유래되었는가 추정 가능. 기원별로 그 비율이 각각 다르기 때문.

 

5. Sr과 Pu은 왜 측정하지 않나?

 

Cs-137과 Sr-90 분석의 차이(어류 시료의 경우)

◆ 체르노빌과 후쿠시마 원전 사고 경험에 의하면 1,700 핵종 중 사고로 주변 환경으로 배출될 수 있는 중요한 핵종은 약 20여 종. 이중 반감기가 '수 일 ~ 수 년' 이상인 핵종들만 중요한 측정 대상 핵종.

     - 사고시 가장 많이 배출되는 핵종은 Xe-133이나, 불활성기체이면서 반감기(5.2일)가 짧아, 대기로 널리 확산되었고, 시간이 흘러 붕괴되고 없음. 두 번째로 많은 I-131 역시 반감기(8일)가 짧아 없음. Te-132(반감기 3.2일), Ba-140(12.8일), La-140(40시간)도 마찬가지. 남아있는 핵종들은 대부분 Cs-137, Sr-90, Pu-239 같이 반감기가 30년 이상 긴 핵종들 뿐. 그 중 Cs-137이 가장 많아 우선적으로 측정하는 것.

◆ 후쿠시마 토양 측정 결과 (2011년 6월 14일. 사고 3개월 후) 

   - Cs-137은 Sr-90의 약 1,000 배, Pu-239의 약 백만 배. 

후쿠시마 토양 분석결과(2011.6.14)

- 후쿠시마 사고의 경우, 실제 측정 자료에 의하면, Cs-134와 Cs-137이 거의 1:1의 비율로 환경으로 배출된 것으로 확인되었으나, Cs-134는 반감기가 짧아 6년이 지난 현 시점에서 환경에서의 비율은 1:7 ~ 1:8 정도.