방사성 물질 세슘-137은 어떻게 제거할까

피폭, 암 유발 등 위험한 인공 원소 세슘-137 

한국원자력연구원, 세슘-137을 제거하고자 오염수 및 오염토양에서 정화하는 다양한 방법 개발

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 2022년 4월부터 일본이 본격적으로 후쿠시마 원전 사고로 인해 발생한 오염수를 처리하기 위해 해저터널 공사를 시공한다고 밝혔다. 하지만 일본 시민 포함 다수의 사람들에게서 오염수에 있는 방사성 물질에 대한 우려의 목소리가 나오고 있다. 

방사성 폐수에 있는 여러 핵종 중 가장 정화하기 까다로운 방사성 물질은 세슘-137이다. 세슘-137은 우라늄의 핵분열 과정을 통해 얻어지는 물질로 자연 상태에서는 존재하지 않는 핵실험 등으로 얻는 인공 원소이다. 세슘은 물에 잘 녹는 특성이 있어 외부로 노출될 확률이 높고, 체내에 들어올 경우 근육에 축적되며 반감기가 30년이기 때문에 오랜 시간 동안 체내에 있을 수 있다. 심지어 붕괴될 시 감마선을 방출하기 때문에 암 유발 및 전신에 피폭을 일으킨다. 

국내 연구진은 방사성 오염수에 있는 세슘을 제거하기 위해 다양한 정화 방법들을 모색했다. 첫 번째 방법은 2019년에 발명한 미세 수중 로봇이다. 머리카락의 10분의 1 크기인 약 1마이크로미터 크기로 이산화규소 마이크로 입자에 세슘 흡착 기능을 가진 폐로시안화구리로 이루어져 있다. 로봇이 움직일 수 있도록 화학적 추진체인 백금과 이동제어가 가능한 백금 촉매인 니켈을 넣었다. 백금 촉매는 과산화수소와 반응해 산소를 발생시키는데, 이를 추진력으로 사용해 움직이기 때문에 폐수에 로봇을 넣을 때 과산화수소도 같이 넣어줘야 한다. 또한 니켈의 자성을 이용해 외부에서 자기장으로 이동 제어를 할 수 있다. 

국내 연구진은 ‘꽃 모양 티타늄-페로시아나이드 나노 흡착제’ 또한 발명했다. 겹꽃 모양의 나노 구조를 지닌 흡착제로 강산성의 폐수에서도 능력이 저하되는 것을 방지하기 위해 티타늄을 사용했다. 성능을 실험한 결과 강산성 폐수에서 99.8% 이상의 세슘을 제거했으며 후쿠시마 사고 당시 사용했던 타이타노 실리케이트의 78.8%와 비교했을 때 성능이 뛰어났다. 

2021년 5월, 국내 연구진은 세슘과 스트로튬만 선택적으로 제거하는 황-제올라이트 복합체를 개발했다. 제습제와 세제 탈취제 등 일상 속에서 쉽게 찾을 수 있는 제올라이트는 흡착성이 뛰어나 불순물 제거 및 탈취에 적합하다. 핵종 흡착에 사용되는 제올라이트는 방사성 오염 물질인 스트로튬과 세슘 제거에는 성능이 떨어져 이를 보완하고자 ‘한국원자력연구원’과 ‘카이스트’ 연구팀은 감압 승화를 통해 황을 주입해서 황-제올라이트 복합체를 개발했다. 오염 지하수에서 성능을 확인한 결과 각각 99.4% 이상의 제거율을 보였다.

오염수 이외에도 방사능에 노출된 토양에서 발견되는 세슘을 제거하기 위해 ‘한국원자력연구원’에서 점토 분리한 후 오염 토양에서 세슘만 떼어내는 기술을 개발했다. 방사성 세슘은 점토에 강하게 흡착하는 특성이 있어 토양에 있는 세슘을 제거하기 위해 토양 중 10%에서 30%를 이루고 있는 점토를 우선적으로 분리시켜야 한다. 점토는 마이너스 전하를 띠는 특성을 가지고 있어 이를 활용해 플러스 전하를 띤 자성 나노입자를 제조해 정전기적 인력을 이용해서 점토 입자와 자성입자가 서로 결합하도록 유도했다. 자성을 받은 점토는 자석으로 쉽게 분리가 가능하다. 연구진은 남은 오염 토양을 페로시아나이드가 결합된 자성 흡착제를 사용해서 세척했고 그 결과 95% 이상의 세슘이 제거되었다.

세슘-137 이외에도 삼중수소 등 아직 현재까지 개발된 기술로 정화시킬 수 없는 방사성 오염 물질들이 있기 때문에 더 많은 연구와 실험이 진행되어야 한다.