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18. 지하수 중의 방사성물질가. 방사능에 대한 일반적인 개념

(1) 방사능의 정의

  방사능(radioactivity)이란 불안정한 원소의 원자핵이 스스로 붕괴하면서 내부로부터 방사선(radiation)을 방출하는 현상을 말하는데, 이러한 성질을 가진 원자핵을 방사성핵종(radionuclides)이라 하고, 방사성핵종을 함유하는 물질을 방사성 물질이라고 한다. 자연계에서는 우라늄, 라듐을 비롯하여 원자번호가 비교적 큰 40종에 이르는 원소의 원자핵이 이에 속한다. 일반적으로는 이들 방사성핵종이 α선, β선 혹은 γ선을 방출하는 성질을 방사능이라고 한다(William, 1983). 방사선은 외기중에서는 그 위해의 크기가 γ>β>α선의 순이나, 식품 등을 통하여 인체에 침투한 경우에는 반대로 α선이 가장 큰 피해를 유발한다(한국소비생활연구원, 1998; RADNET, 1996).

(2) 방사선의 단위

  방사능의 양은 보통은 단위시간에 붕괴하는 입자의 수로 표시하며, 주로 퀴리(curie)로 나타낸다. ㏃과 Ci의 관계는 다음과 같다.

1pCi (picocurie) = 10^-12Ci

1Ci = 3.7×10¹⁰㏃

1㏃(Becquerel)은 1초당 방사능붕괴가 1회임을 의미한다.

(3) 방사선량의 단위

  방사선이 생체조직에 입히는 피해는 입자나 광자의 개수와 이들의 에너지에 비례한다. 수 mCi의 ³H에 의한 피해는 같은 수준의 ¹⁴C에 의한 피해보다 적다. 왜냐하면 ³H으로부터 나오는 β입자는 0.0179Mev의 최대 운동에너지를 가지고 있는 반면 ¹⁴C로부터 나오는 β입자의 최대 운동에너지는 0.156Mev이기 때문이다. 그러므로 방사에 의해 생성된 입자의 양이나 축적된 에너지량이 중요하다. 방사선이 생체조직에 미치는 정도를 수치로 나타내기 위해서는 퀴리 값은 적합하지 않기 때문에 몇 가지 다른 단위가 사용되고 있다.

  Rad(radiation absorbed dose, 흡수된 방사선량)는 조직 1kg당 10^-2J의 에너지가 축적되는 방사선량으로 정의한다. 인체조직에 주는 피해는 조직의 성질, 방사선 종류, 총 방사선량, 방사선조사 빈도 등 여러 요소에 의존한다. 이 모든 것을 고려하여 만든 rem(roentgen equivalent in man, 인체 뢴트겐 당량)은 인체에 노출되었을 때 미치는 유효 방사선량을 측정하는 것으로 정의된다. β 또는 γ선 1㎭의 물리적 조사량은 인체에 1rem에 해당한다. β,γ선보다 해를 끼치는 정도가 큰 α선 1㎭의 물리적 조사량은 약 10rem에 해당한다. 근래에 많이 사용되고 있는 단위로는 ㏜(sievert)가 있는데 약 1g의 ²²⁶Ra의 방사선량에 해당한다(David and Norman, 1990).

  투여량의 참고수준 (0.1m㏜/year)에 일치하는 방사성핵종 농도 (reference concentration)는 다음식에서 United Kingdom National Radiological Protection Board의 투여량 변환요소 (dose conversion factor)를 이용하여 계산한다.

표 4.18.1. Activity concentration of various radionuclides in drinking-water corresponding to a dose of 0.1m㏜ from 1 year's intake
 

* Values from National Radiological Protection Board, (1991), Committed equivalent organ doses and committed effective doses from intakes of radilnuclides, Chilton, Didcot)

(출처 : WHO, 1993)

표 4.18.2. 방사선의 단위
 

(출처 : William, 1983)

나. 방사성핵종의 특성

(1) 우라늄

  우라늄은 자연상태에서 +2, +3, +4, +5, +6의 산화상태로 존재하는데 6가 우라늄이 가장 흔하다. 자연계에서 6가 우라늄은 보통 산소와 결합하여 우라닐이온(UO₂²⁺)으로 존재한다. 자연적으로 존재하는 우라늄은 세가지 방사선 핵종(radionuclides) (²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U)의 혼합물이며 모두 알파와 감마 방출에 의해 붕괴된다.

  우라늄은 지표수와 지하수 모두에서 발견되지만 대개 지하수에서 농도가 높다. 화강암, 변성암류, 갈탄, 몬조나이트, 인산염광산 등이 우라늄을 함유한다.

표 4.18.3. 우라늄의 일반적인 성상
 

(출처 : Lide DR, 1992∼93)

(2) 라듐

  라듐은 우라늄과 토륨의 붕괴과정에서 생성되는데, 네 종류의 동위원소(²²⁶Ra, ²²⁸Ra, ²²⁴Ra, ²²³Ra)를 갖는다. ²²⁶Ra은 ²³⁸U 붕괴계열에서 알파붕괴로 생성되며, 반감기가 1601년으로 라듐 동위원소 중에서 가장 길다. 지하수에서의 ²²⁸Ra농도는 대수층의 지질에 좌우되는데, 화강암대수층, 장석을 포함하는 사암대수층 등에는 고농도의 ²²⁸Ra을 함유하는 지하수가 있을 가능성이 크다(한국소비생활연구원, 1998).

(3) 라돈

 라돈은 자연계에 널리 존재하는 방사성 가스로, ²³⁸U 계열의 알파 붕괴과정에서 만들어진 ²²⁶Ra의 붕괴 생성물질이다. 또한 ²²⁶Ra의 반감기가 1600년 이상인 것에 비해 ²²²Rn의 반감기는 3.8일이며 그 발생이 시간에 관계없이 일정하다고 알려져 있다.

  음용수에서의 라돈은 현재로서는 실내공기의 라돈의 주요 오염원의 하나라고는 생각하지 않는다. 그러나 지하수내 라돈의 함량이 높고, 지하의 지층으로부터 집으로의 직접적인 방출이 낮은 경우, 급수시설로부터의 라돈이 전체 실내 라돈함량의 90% 이상을 차지한다. 급수시설에서 측정된 1,124,000pCi/L의 라돈이 실내에서 발견된 2,000pCi/L 라돈의 100% 원인이라는 연구결과도 있다. 일반적으로 물의 10,000pCi/L 라돈 농도는 약 1pCi/L의 공기의 라돈으로 변환된다고 알려져 있다.

라돈 함량을 결정하는 주 요소는 대수층의 암석종류인데 일반적으로 화강암이 존재하는 지역의 지하수에서 최고치를 보인다.

다. 지질학적인 방사성물질 함유량

  우라늄원소는 이온반경이 크고 전하가 높아서 비조화원소(incompatible element)의 특성을 가지므로 다른 원소들과 쉽게 치환되지 못한다. 그러므로 마그마 분화단계에서 말기단계까지 마그마에 잔류하든지, 유체에 고농도로 집적되어서 부성분광물(accessary minerals)로서 결정화되어 산출된다.

  마그마분화 말기단계에서 형성되는 암석, 예를 들면 화강암이나 알칼리화산암류, 또는 페그마타이트광상, 열수맥 등에서 우라늄의 함량이 높다. 화성암내에서 우라늄의 함량은 마그마분화 정도에 따라서 다양한데, 말기단계에서 가장 높게 나타난다. 또한 산성화산암류는 동일계열의 심성암에 비해 1.5∼2배나 높은 우라늄 함량을 나타낸다.

  특히 흑색셰일, 인산염암, 페그마타이트 및 산성화성암 등은 우라늄이 고농도로 집적되어 우라늄광상을 형성하기도 한다. 우라늄은 지구화학적인 순환을 거치면서 다양한 암석내에 미량으로 존재하며, 암석으로부터 용탈되어 물속에 용해되고, 이것이 여러 경로를 거쳐서 해양으로 이동한 후, 다시 퇴적암에 포함된다. 나중에는 이 퇴적암이 변성작용을 받아서 변성암에 고농도로 집적된다. 변성암은 조산대에서 다시 마그마로 전이되고, 이 마그마는 다시 화성암으로서 태어나게 되는 지질학적 순환과정을 거치게 된다. 지각내 우라늄 평균함량은 2.6ppm이며, 각 암종별로 상이한 함량차이를 보이는데 이는 함우라늄 광물이 포함되는 정도가 다르기 때문이다.

표 4.18.4. 각종 암석내의 우라늄 함량
 

(출처 : Alloway, 1995; Brownlow, 1996)

라. 외국의 수질기준

  미국의 음용수 수질기준은 1974년 통과된 Safe Drinking Water Act(SDWA)에 규정되어 미국환경보호청(EPA)에서 규제하고 있는데, 1991년 EPA는 라돈을 포함한 방사능물질의 National Primary Drinking Water Regulations(NPDWRs)을 제안하였다. 이는 확정된 규정이 아니라 기준 설정을 위하여 1991년에 제안한 수치로서 6종의 방사능물질 (²²⁶Ra, ²²⁸Ra, ²²²Rn, 우라늄, 알파입자, 베타입자)에 대하여 정한 것이다. 이 중 라돈은 최대허용기준(Maximum Contaminant Level, MCL)을 300pCi/L로 제안하였으나 많은 지역에서(30%이상) 정기적인 수치보다 높게 검출되고 좀 더 높은 수준의 MCL로의 개정이 불가피해졌다. 1996년에 SDWA가 개정되면서 라돈, 라듐, 알파, 베타, 우라늄에 대한 NPDWRs 재평가를 통해 2000년 8월까지 최종 MCL과 최대허용목표기준(Maximum Contaminant Level Goal, MCLG)를 설정하여 최종 수질기준을 공표하기로 결정하였다.

표 4.18.5. 음용수에 대한 방사성물질 함량 제한규정
 

* 최종 MCLG(Maximum Contaminant Level Goal)는 없으나 1991년 0으로 제안됨.

(2) 56 FR 33050, July 18, 1991

(3) MAC(Maximum Acceptable Concentration), Guidelines for Canadian Drinking Water Quality, 1996

(4) RC(Reference Concentration), Guidelines for Drinking Water Quality (Recommendations), 1993

o 한 사람이 1년에 물 730L(하루 평균 2L)를 섭취한다고 가정하고 ICRP(국제 방사능보호 협회, International Commission of Radiological Protection)의 일반인에 대한 연간 방사선 선량한도 1m㏜의 1/10인 0.1m㏜를 기준으로 음용수중의 18개 방사성핵종의 농도를 규정함.

o 유럽 각국은 독자적 기준이 없고 WHO 규정을 참고로 하고 있음.

(5) 연간 4mrem의 선량이 발생되는 연간 평균 농도

o Tritium; 20,000 pCi/L (total body),

o Sr-90; 8 pCi/L (bone marrow)

(6) Chemical guideline: regulation considering chemical toxicity

(7) Ra-226은 포함하나, Rn과 U는 제외함.

(8) Ra-226 미포함.

(9) 1997년 8월 6일 철회함(62 FR 42221, SDWA section 1412(b)(13)(A)), 1999년 8월까지 MCLG 와 NPDWRs을 제안하며 최종안은 2000년 8월까지 공표하기로 함.

* note : 20 ppb U = 13.4 pCi/L

미국 EPA가 규정한 감시주기 및 조건을 살펴보면(10CFR40 part 141.26), 여기서 측정대상에 대한 Screening 개념을 감지할 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 전α방사능이 신뢰도 95% 수준(1.65σ)에서 5pCi/L를 넘지 않는 경우에 한해서 Ra-226과 Ra-228의 분석은 생략할 수 있다. 전α방사능이 5pCi/L를 넘는 경우 동일 또는 동등한 시료에 대해 Ra-226 측정을 시행하며, Ra-226의 함량이 3pCi/L를 넘는 경우 Ra-228 측정을 시행한다.

표 4.18.6. 방사성 핵종의 모니터링 조건
 

마. 건강상의 위해도

(1) 우라늄

  일반적으로 우라늄의 섭취량은 음용수로부터 3.7㎍/day, 음식물로부터는 1.1㎍/day이다. 섭취된 우라늄은 뼈에 22%, 신장에 12%, 다른 조직(tissue)에 12% 축적되며, 나머지는 배출된다(한국소비생활연구원, 1998). 물에 있는 우라늄의 독성은 크게 방사성 독성과 중금속으로서의 화학적 독성의 두 가지로 나눌 수 있는데, 방사성 독성의 경우 자연 우라늄 중의 동위원소인 ²³⁸U, ²³⁴U를 함께 고려해야 한다. 우라늄이 인체에 가장 큰 위해성을 미치는 부분은 신장이다(한국소비생활연구원, 1998).

(2) 라듐

  라듐은 20세기 초에 발견된 이후, 류마티즘 치료제와 표시판(radium dial)에 사용되었고 이로 인해 환자, 화학자, 표시판 도장공(dial painter) 등에게 노출되었다(William, 1983). 라듐은 인체내에서 칼슘과 유사하게 대사되어 골표면에 침착하여 골육종(osteogenic sarcoma)을 유발하나 백혈병에 대해서는 아직까지 보고된 적이 없다. 실제 역치는 골격계의 농도로 0.04㏉/day이며, 총량으로는 0.8㏉이다(William, 1983).

(3) 라돈

  라돈은 폐암, 위암 등의 암을 유발시키는 중요한 요인이며, 인체 노출경로는 가정에서 물 사용시 수중 라돈이 공기중으로 방출되어 호흡기로 흡입되는 것과 음용수 섭취시 소화기관을 통한 직접피폭인 두 가지 경우가 있다. 미국 환경보호청(EPA)은 라돈을 암을 유발시키는 물질로 간주하고 있으며, National Research Council의 최근 조사에서는 실내공기 중의 라돈과 라돈의 딸원소에 노출되어 폐암사망이 매년 미국에서 3000∼32000건 정도 발생한다고 추정하고 있다(NAS, 1998). 이외에도 폐암 발생의 증가와 실내공기 중 라돈의 노출과 유의한 상관관계를 보인다는 연구결과가 제시되었다(Axelson 등, 1979; Edling 등, 1984; Svensson 등, 1989; Lees 등, 1987).

(4) 방사성 핵종의 건강영향

  방사선이 인체에 미치는 영향에는 직접과 간접 영향이 있다. 직접영향은 방사선이 세포의 중요한 분자구조에 직접영향을 주며, 간접영향은 물이나 유기화합물 분자를 활성화시켜 OH기와 수소원자로 분해시켜, 이들이 세포성분에 작용하여 장애를 일으킨다.

- 감수성이 높은 조직 : 생식기, 골수, 임파조직, 비장

- 감수성이 중 정도의 조직 : 피부, 눈, 간장, 장

- 감수성이 낮은 조직 : 근육조직, 결합조직, 혈관, 지방조직

  일반적으로 총 노출량이 10rem까지는 건강상에 영향을 주지 않는 것으로 나타나며 노출량과 건강영향과의 관계는 아래 표와 같다.

표 4.18.7. 방사선의 건강영향
 

(출처 : Martin, 1995)

  방사성 노출과 관련된 건강의 영향은 크게 비정상적인 골격 및 중추신경계 발달을 포함한 발육상 및 기형발생 영향, DNA의 돌연변이 변화, 돌연변이 결과에 의한 질병 등의 유전학적 영향, 암과 백혈병, 수명단축, 백내장, 고환의 손상, 불임증을 포함한 신체적 영향, 그리고 우라늄에 의한 신장파괴로 나타낼 수 있다(U.S. EPA, 1993). 세포의 사멸은 방사선 피폭을 받은 양에 비례하며, 일정량의 범위까지는 영향을 나타내지 않으나(문턱선량; 역치), 이 값은 고려하는 영향과 조직의 종류에 따라 차이가 있다.

  급성영향으로 전신에 3㏉이상 피폭하게되면 생명이 위험하다. 남녀평균 암 치사 위험도는 1㏜당 5%이고, 방사선 피폭자의 후손에서 심각한 유전결함이 나타날 위험도는 1㏜당 1% 정도인데, 방사선 피폭 당시의 연령과 현재의 연령, 남녀성별, 특정 유전적 소인에 따라서 차이가 있다. 그러나 자연적인 암치사 위험은 20∼25%이며 유전결함은 매 출생 당 2∼3%으로 알려져 있기 때문에 이러한 위험도를 자연적인 암 발생위험에 비교해보면 무시할 수 있을 정도로 작다고 할 수 있다.

  만성적인 영향은 일본 원폭피해 생존자를 대상으로 50년간 역학조사 결과 암을 증가시킨다는 결론을 내렸지만, 많은 전문가들이 반대입장을 취하고 있으며, 원폭피해 후손들에게 유전결함이 있을정도로 우려되는 것은 아니다(환경부, 1997).

참고문헌

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4. 한국소비생활연구원, (1998), 먹는물의 방사능물질 유해성여부에 관한 대토론회.

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7. Axelson, O., Edling, C. and Kling, H., (1979), Lung cancer and residency-a case-reference study on the possible impact of exposure to radon and its daughters in dwellings, Scand. J. Work Environ. Health, 5, 10

8. Brownlow, A. H., (1996), Geochemistry, 2nd ed., 58

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11. Lees, R. E., Steele, R. and Roberts, J. H., (1987), A case-control study of lung cancer relative to domestic radon exposure, Int. H. Epidemiol, 16, 7

12. Lide DR, ed, (1992∼93), CRC handbook of chemistry and physics, Boca Raton, FL, CRC Press

13. NAS, (1998), Risk Assessment of Exposure to Radon in Drinking Water, Prepublication Copy

14. National Radiological Protection Bord, (1991), Committed equivalent organ doses and com- mitted effective doses from intakes of radionuclides, A report of the National Radiological Protection Board of the United Kingdom, Chilton, Didcot, NRPB-R245

15. RADNET, (1996), Information about Source points of Anthropogenic Radioactivity, http:// home.acadia.net/cbm/

16. Svensson, C., Pershagen, G. and Klominek, J., (1989), Lung cancer in women and type of dwelling in relation to radon exposure, Cancer Res., 49, 1861

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18. U.S. EPA, (1993), Integrated Risk Information system(IRIS) on Uranium, Soluble Salts, Environmental Criteria and Assessment Office, Office of Health and Environmental Assessment, Office of Research and Development, Cincinnati, OH.

19. William, N. R., (1983), Environmental and Occupational Medicine, Little, Brown and Company, Boston, 667∼691

20. World Health Organization, (1993), Guidelines for drinking-water quality, 2nd Edition, vol.1, Recommendations, WHO, Geneva, Switzerland, 114∼121

작성자 : 수질검사과 환경연구관 박선구(이학박사)