[12] 방사선 노출

 

0. 서론

  방사선에 관심을 가져본 적이 있다면, 방사선량(radiation dose)의 단위가 여러 개라는 사실을 알고 이상하게 여긴 사람이 있을 것이다. 주로 사용되는 단위에는 방사성 붕괴의 단위인 베크렐(Bq), 흡수선량의 단위인 그레이(Gy), 그리고 피폭선량의 단위인 시버트(Sv)가 있는데, 이렇게 단위가 나누어져 있는 까닭은 각자의 쓰임새가 있기 때문이다. 예컨대 지난 글(seraphy.tistory.com/12)에서 논하였던 energy transfer/absorption coefficient의 개념은 붕괴를 통해 나온 에너지가 물질에 흡수되는 과정, 즉 Bq에서 Gy 단위로 넘어가는 것을 보여준다. 

  흡수선량은 방사선으로 인해 물질이 받은 에너지를 의미한다. 그런데 사람이 방사선에 노출되는 경우, 피폭에 의한 피해를 파악할 때 단순히 에너지량만을 고려해서는 안 된다. 체세포를 기준으로 방사선의 종류나 피폭된 부위에 따라 피해 정도가 상이하기 때문이다. 이러한 이유로 피폭선량 계산 시에는 국제 기준에 따른 가중치를 흡수선량에 곱하여 사용한다. 

  본 글에서는 우리 주변의 방사선원과 이로 인한 피폭선량을 알아봄으로써 사람들이 일상 속에서 얼마나 많은 방사선에 노출되어 있는지에 대해 논의하고자 한다. 또한 방사선 피폭이 인체에 어떤 피해를 야기할 수 있는지 살펴보고 그 피해를 정량적으로 다루는 방법을 설명할 것이다. 이를 통해 몇 가지 사례를 들어 방사선으로 인한 위험 정도를 가시적으로 파악하는 것을 목표로 내용을 작성하려 한다. 

 

 

I. Dose Calculation

i. absorbed dose(흡수선량)

  흡수선량은 기본적으로 물질의 단위질량당 흡수된 에너지를 측정함으로써 계산할 수 있다. 흡수선량의 단위인 Gy는 J/kg와 같은 뜻이다. 

$$1\ Gy=1\ J/kg$$

 

ii. equivalent dose(등가선량)

  방사선은 그 종류에 따라 물질에 줄 수 있는 피해(damage)가 서로 다르다. 이 때문에 종류별로 다른 가중치 w_R을 곱해줌으로써 이들을 같은 선상에서 비교할 수 있다. 흡수선량에 방사선 가중치를 곱한 값을 equivalent dose라 하며, 이때부터 단위는 Gy가 아닌 Sv가 된다. 

  다음 표는 ICRU(International Commission on Radiation Units and Measurements, 국제방사선단위측정위원회)에서 설정한 가중치를 나타낸 것이다. 

  이 중 중성자에 대해서는 에너지에 의존하는 다음의 함수를 가중치로 사용한다. 

iii. effective dose(유효선량)

  방사선의 종류 외에도 피폭된 부위나 장기에 따라 같은 등가선량에 대한 실제 피해는 달라질 수 있다. 이 때문에 피폭 부위별로도 가중치가 설정되어 있다. 

  다음 표는 ICRU에서 정한 가중치를 나타낸 것이다. 

 

 

II. Radiation Exposure in Life

  방사선 노출 하면 흔히 생각하는 것이 원전이지만, 실제로는 우주선(cosmic ray)이나 라돈 가스와 같은 자연 방사선이나 의료 목적의 X선 촬영 등이 일반인의 연간 피폭량 비중의 상당 부분을 차지한다. 다음은 서유럽에서 보통 사람을 기준으로 연간 피폭되는 자연 방사선량과 인공 방사선량을 나타낸 것이다. 직업 방사선량은 전 국민을 대상으로 평균을 내어 계산하므로, 전체 값에 큰 영향을 주지 않아 제외하였다(1μSv scale). 

왼쪽부터 지각, 우주, 식품, 라돈 가스에서 유래한 방사선이다.

  위 자료를 통해 계산한 연간 평균 피폭량은 4.3mSv/yr이다. 비중이 큰 요인으로는 X선 촬영과 라돈 가스 등을 꼽을 수 있다. 참고로, 2014년 기준 우리나라 국민의 연평균 피폭량은 5.5mSv로, 자연 방사선이 4.1mSv, 의료 방사선이 1.4mSv였다. 특히 우리나라의 자연 방사선 중 높은 비중을 차지하는 라돈 가스는 그 영향이 연 2.4mSv로 다른 나라에 비해 높은 편이다. 이러한 수치는 2002년 기준 연간 피폭량인 3.8mSv에 비해 다소 늘어난 것처럼 보이는데, 이는 라돈의 가중치가 2배, CT의 가중치는 3배로 조정된 것과 연관되어 있다(피폭선량 계산에 사용되는 가중치를 말한다. 가중치는 시간이 지남에 따라 권위 있는 기구에서의 합의 또는 국가적 논의에 의해 조정되고는 하며, 이로 인해 방사선 기준이 변하는 일도 때때로 발생한다. 따라서 관련 자료를 읽을 때는 그것이 제작된 시점을 체크할 필요가 있다). 

  개별 요소에 의한 피폭량은 표로 정리된 데이터를 서유럽의 연간 피폭량 추이와 함께 부록으로 남긴다. 다만 몇 가지 나열하자면, 흉부 X선 촬영이 0.1mSv, 복부 X선은 10mSv이며 PET 전신 촬영의 경우 18mSv까지 피폭될 수 있다. 

  이 기준에 해당하지 않는 사람들은 대개 직업적인 요인으로 방사선에 노출되는 경우가 많다. 예를 들어 원자력 산업 종사자 등이 이에 속한다. 또한 항공기 이용이 잦은 사람들도 방사선 피폭량이 비교적 높은데, 이는 고고도 환경에서 노출될 수 있는 우주선 때문이다. 한국에서 유럽, 또는 미국까지의 거리 정도를 비행기를 타고 왕복하면 약 0.1mSv의 방사선에 피폭된다. 이러한 이유로 항공 승무원은 연간 3 ~ 5mSv 정도의 방사선에 노출되는 것으로 알려져 있다. 

  방사선 피폭 원인들 가운데 잘 알려지지 않은 것 중 하나가 담배이다. 담배에는 납의 방사성 동위원소인 Pb-210이나 라돈(Rn-222)이 포함되어 있으며, 이들은 20년이 넘는 시간 동안의 방사성 붕괴를 거쳐 중금속인 Pb-206으로 변해 체내에 축적된다. 담배에 포함된 타르 성분은 이러한 방사성 물질을 흡착하여 피폭량을 늘리는 결과를 초래하기도 한다. 

 

 

III. Radiation Damage

  방사선이 인체에 피해를 입히는 방식으로는 직접적으로 세포의 DNA를 손상시키거나 그 주변의 물질과 반응해 radical을 생성하는 등의 간접적인 방법이 있다. 앞서 방사선의 종류별로 피해가 달라진다고 하였는데, 예컨대 α-particle처럼 무거운 대전 입자의 경우 DNA를 뚫고 지나가는 과정에서 타 방사선과 비교할 때 큰 피해를 줄 수 있다. 

  방사선으로 인한 피해는 단기적인 것(결정론적 영향)과 장기적인 것(확률론적 영향)으로 구분된다. 단기적인 영향은 피폭 후 30일 이내에 사망하는 비율(mortality)로써 확인할 수 있다. 사망율이 50%가 넘어가는 지점의 피폭량을 lethal dose(반수 치사량)라 하며, 대개 4Sv로 설정한다. 위에서 다룬 연간 피폭량의 scale이 mSv 단위였던 것을 생각해보면, 수 Sv에 이르는 순간 피폭량은 엄청난 수준임을 알 수 있다. 

  위 그래프는 방사선에 의한 단기적 영향을 나타낸 것이다. 주목할 것은 threshold dose가 존재한다는 점으로, 0.5에서 1Sv 미만의 순간 피폭량은 사망률을 높이는 데 일조하지 않는 것으로 판단한다. 

  장기적인 영향을 나타내는 지표로는 암 발병율이 주로 사용된다. 다음은 방사선에 의한 장기적인 영향을 보여주는 그래프로, 1Sv 이하의 피폭을 입은 사람들을 추적 조사하여 암 발병율을 plotting한 것이다. 두 개의 가로선은 위에서부터 각각 일반적인 암 발병율과 사고로 인한 사망율을 나타낸 것으로, 약 10mSv 이상의 피폭을 당하면 암 발병율이 사고사 비율보다 높아지는 것을 알 수 있다. 

  아래 그래프는 피폭량과 암 발병율 간의 관계가 선형적이라고 가정하고 있는데, 이를 LNT(Linear, No Threshold) 모델이라 한다. 이것은 연구 초기에 등장한 매우 단순한 근사로, 실제 데이터와는 맞지 않는 부분이 있기에 새로운 모델을 만들어 정확도를 높이려는 시도가 이어지고 있다. 

  아래는 LNT 모델의 대안으로 나온 여러 모델을 나타낸 것이다. A는 threshold 모델로, 일정 수준 이하의 피폭은 암 발병과 무관하다는 생각이다. B는 hormesis 모델로, 적당한 수준의 피폭은 되려 암 발병율을 낮춘다는 의견이다. C는 adverse 모델로, 방사선 노출이 적은 양일 때 오히려 피해 증가율이 더 높다는 주장이다. 이렇듯 여러 가지 모델들이 있고, 그 중 threshold 모델을 중심적으로 살펴보고 있으나 뚜렷한 의견 통합은 아직 이루어지지 않은 상태이다. 

  왼쪽 아래에 있는 작은 영역은 데이터가 산발적으로 분포하여 유의미한 경향을 찾을 수 없는 범위로, 약 1 ~ 100mSv 이하의 피폭량이 이에 해당한다. 

 

※ Hormesis Effect

  적당한 양의 방사선은 암 발병율을 낮추는 효과가 있다는 앞 문단의 주장은 상식적으로 받아들이기 어려운 생각이다. 이 주장은 적은 양의 독을 꾸준히 마셔서 독살에 대한 내성을 기르려던 미트리다테스 6세(Mithridates VI)의 이야기를 떠올리면 이해하기 쉬운데, 과학적으로는 체내의 radical을 적은 양의 방사선이 없애준다는 설명과 방사선 자극이 면역력 향상에 기여한다는 분석이 있다. 

  hormesis effect는 학계의 주요 학설로 인정받지는 못하고 있다. 

방사성 원소 Co-60이 포함된 콘크리트로 지은 집에 거주했던 타이완의 주민들을 대상으로 추적 조사를 한 결과. 암 발병율이 일반인에 비해 낮게 파악된 것을 확인할 수 있다. 이와 관련된 주제들은 여전히 학계의 논쟁거리로 남아 있다.

 

  방사선 노출에 대한 안전 기준은 대개 ICRP(International Commision on Radiological Protection, 국제방사선방호위원회)가 권고하고 이를 각국이 수용하는 방식으로 정해진다. 방사선 방호의 목표는 단기적 영향을 배제하고 장기적 영향은 최소화하는 것이다. 그런데 위에서 보았던 것과 같이, 단기적인 영향이 유의미한 피해로 다가오려면 상당한 양의 방사선에 피폭되어야 하므로, 사고 혹은 의료 목적으로 다량의 방사선에 노출되는 일이 없는 한 일상생활에서는 이를 적용할 일이 거의 없다고 보아도 무방하다. 따라서 몇 가지 극단적 상황을 제외하면, 방호의 대부분은 장기적 영향을 줄이는 쪽에 초점이 맞춰져 있다. 

  장기적인 영향은 위에서 본 것처럼 평균적인 확률로써 계산한다. 이를 고려해 설정하는 방사선 피폭량의 제한을 선량한도(dose limit)라 하며 확률론적 영향에 대한 유효선량 한도와 결정론적 영향에 대한 등가선량 한도로 구분된다. 유효선량 한도의 경우 앞서 본 그래프에서 알 수 있듯이 매우 적은 양의 피폭임에도 불구하고 과학적으로는 이것으로 인한 암 발병율의 증가를 무시할 수 없다는 특성 때문에, '용인할 수 있는 위험'이라는 단어를 사용하여 피폭에 대한 이해동의가 있는 경우 연간 사망율을 0.1% 이하로, 없는 경우 0.01% 이하로 할 수 있는 정도를 안전 기준으로 삼는다. 이해동의란 피폭 가능성과 이로 인한 피해를 수용하겠다는 합의로, 의료용 방사선을 사용하려는 사람이나 원자력 관련 직업을 가진 이들은 이러한 이해동의가 있는 것으로 간주한다. 

  다음은 생애 동안 계속 방사선에 노출된다고 가정했을 때, 연령에 따른 사망율을 계산하여 이를 연간 피폭량에 따라 나타낸 것이다. 일반적으로 이러한 피폭에 의한 위험은 70 ~ 80대에 최고가 되며 피폭량이 1mSv/y인 경우 최고 사망율이 대략 0.01% 근방에서 최댓값을 갖는다. 이러한 이유로 일반인의 선량한도는 연간 1mSv 이하로 설정하였다. 이해동의가 있는 관련 종사자의 경우, 일반인과 달리 직무 피폭이 인정되는 18세부터의 피폭을 기준으로 선량한도를 계산한다. 이 경우 5년 동안 100mSv, 연 단위로 하면 20mSv/y의 피폭량에서 최대 사망율이 0.1%가 되고, 이것이 종사자의 선량한도로 정해졌다. 

  유효선량 한도가 등가선량 한도보다 훨씬 낮기 때문에, 전자의 안전 기준을 지키면 후자의 위험은 거의 고려할 필요가 없다. 다만 일부 장기, 예컨대 피부, 손, 발, 수정체의 경우 예외를 두어 따로 등가선량 한도를 설정한다. 수정체는 100mSv/5y, 손발은 방사선에 강한 축에 속하여 500mSv/y가 한도이다. 

일반인의 유효선량 한도를 설정하는 기준.

  선량한도는 방사선 피폭의 안전 기준이지만, 모든 경우에 적용되지는 않는다. 예를 들어 암 치료나 CT 촬영 등의 이유로 방사선 사용이 꼭 필요한 경우에는 선량한도를 적용하는 것이 적절하지 않다. 위에서 PET 촬영의 피폭량이 1회에 18mSv였는데, 이는 연간 선량한도인 1mSv를 크게 웃도는 값이다. 그럼에도 이것이 허용되는 것은 선량한도가 적용되지 않는 사항이기 때문이다. 그 외에도 원전 관련 사고 처리나 인명 구조, 우주에서의 임무 수행 등에서도 해당 업무의 중대성을 고려하여 선량한도를 적용하지 않는다. 또한 당국이나 책임자가 관리할 수 없다고 판단되는 요소에 대해서도 선량한도는 무시된다. 라돈 가스와 같은 자연 방사선에 의한 피폭이 그 예시이다(땅에서 오는 방사선은 선량한도 대신 다른 규제를 적용한다). 따라서 자연 방사선 피폭량이 연간 선량한도보다 많음에도 불구하고 이것이 문제가 되는 일은 없는 것이다. 

  선량한도 적용 규칙이 변형되는 경우도 있다. 주변에 가능한 피폭원이 여러 개라면, 하나의 피폭원에 의한 피폭량은 선량한도 계산 시 그 영향을 최소 1/10에서 최대 1/3까지로 제한한다. 약 4기에서 8기 정도의 원자로가 모여 있는 원전은 이러한 이유로 원자로 1개당 인정되는 피폭량이 최대 0.25mSv/y이다.

 

※ 원자로에 의한 피폭량 계산

  원자로 1기에 의한 피폭량을 0.25mSv/y로 제한하는 것은 피해를 줄여서 보는 것이라 생각할 수 있다. 0.25mSv가 대략 어느 정도의 양인지 체감하기 위해 사례를 하나 들어보자. 국내 원전 중 주민 방사선량이 가장 높은 것은 월성 원전이다. 월성 지역에서 2004년부터 2014년까지 11년간 누적된 피폭량을 평가한 값은 0.2mSv로, 원전에 가장 가까운 생활 영역인 부지 경계에서 365일 거주한 경우를 가정하여 계산하였다. 이로부터 모든 원자로에 의한 피폭량을 합쳐도 인정되는 최대 피폭량에 미치지 못한다는 것을 알 수 있다. 그밖에도 원전에 대해서는 선량한도 외의 방호 기준이 추가로 적용되고 있어, 단순히 선량한도 계산 방식만 가지고서는 영향을 과소평가한다고 보기 어렵다. 

 

  이처럼 선량한도를 초과한 양의 방사선에 생활 속에서 계속 노출되고 있다면, 선량한도는 무슨 의미가 있을까? 비록 방사선으로부터 안전하다고 단언하는 것이 사실상 불가능하더라도, 적어도 과학적으로는 안전을 보장할 수 있는 한계치가 선량한도라고 이해하면 된다. 즉 선량한도 이상이라고 해서 반드시 위험한 것도, 이하라고 해서 항상 안전한 것도 아니지만(장기적 영향은 확률적이므로), 최대한 객관적이고 정량적인 방법으로 방사선 방호를 논할 수 있는 수단이 선량한도인 것이다. 

  마지막으로 방사선에 의한 피해를 결정하는 요소 가운데 생물학적 반감기(biological half-life)라는 개념을 소개한다. 방사성 원소의 실제 반감기와는 달리, 인체는 체내에 유입된 방사성 물질을 지속적으로 배출하는 능력을 갖추고 있어 이보다 더 빠른 속도로 방사능이 감소하게 된다. 다음은 반감기가 30년인 Cs-137이 체내에서는 약 250일 만에 activity가 절반으로 줄어드는 것을 보여주는 그래프이다. 다만 일부 물질의 경우 중금속으로 변하는 등의 이유로 배출이 잘 이루어지지 않을 수 있다. 

  탄소의 방사성 동위원소(C-14)나 삼중수소는 몸 안에 들어오면 체내 물질과 결합되는 성질을 갖고 있다. 이것은 탄소와 수소를 섭취하면 우리 몸에서 이들을 활용하여 필요한 물질을 만들어내기 때문이다. 그럼에도 위 두 가지 원소는 반감기가 짧고 방사능이 약한 편에 속하며, 생물학적 반감기는 C-14가 40일, 삼중수소가 12일 정도로 비교적 빠른 시간 내에 체외로 방출된다. 

Cs-137의 생물학적 반감기를 여러 포유류를 대상으로 측정한 것.

 

※ 삼중수소(Tritium)

  삼중수소는 자연적으로는 우주선에 의해 질소가 핵반응을 일으켜 생성되고, 인공적으로는 핵실험 또는 핵무기 폭발에 의해 만들어질 수 있다. 과거 핵실험이 잦았던 시기에는 이러한 실험들이 대기 전체의 삼중수소 양을 유의미하게 증가시킨 적이 있었다. 

  몸 속으로 들어온 삼중수소는 체액의 형태로 존재하거나 세포와 유기적으로 결합한 형태로 존재한다. 후자의 경우 조직에 흡수된 상황이므로 전자보다 더 긴 생물학적 반감기를 가지며, 전신을 순환하는 물과는 다른 움직임을 보이므로 인체의 한 부분에 축적될 수도 있다. 그러나 유기결합되는 삼중수소의 양은 체내에 유입된 전체 양과 비교했을 때 매우 소량이며, 실제로 물의 형태로 존재하는 삼중수소보다 그 영향력이 적다. 

  삼중수소는 He-3으로 변하는 beta decay를 하는 방사성 물질로 약 18keV의 베타선을 방출하며 이는 여타 방사성 물질과 비교했을 때 매우 낮은 수준의 에너지이다. 이 정도의 방사선은 range가 물에서 6μm 정도로 짧고, 따라서 자연적인 농도 조건에서는 단기적인 사망률 증가는 물론, 장기적인 암 발병율에도 영향을 주지 못하는 것으로 알려져 있다(피폭에 의한 확률론적 영향은 threshold 값이 정해지지 않아 적은 양이라도 방호 고려 대상이 되나, 통계적으로 유의미한 경향을 찾을 수 없다는 의미이다. 앞서 언급된 단기적 영향 모델의 좌하단 범위에 해당한다). 

 

 

 

 

 

부록1 : 여러 요인에 의한 피폭량

 

부록2 : 연간 피폭량 변화 추이(서유럽)

  원자력 산업 종사자의 피폭량 제한은 점차 강화되었으며, 대기 중의 방사성 물질 농도는 핵실험이 빈번했던 시기와 체르노빌 사고가 발생했던 때에 갑작스레 증가하였다가 서서히 줄어드는 양상을 보이고 있다. 

 

참고문헌

1. C. Grupen and M. Rodgers, "Radioactivity and Radiation", Springer (2016)

2. ICRP 103

3. J. Shultis and R. Faw, "Fundamentals of Nuclear Science and Engineering", CRC Press (2016)

4. J. Turner, "Atoms, Radiation, and Radiation Protection", Wiley (2007)

5. Kyoung Jae Chung, "Radiation Dose and Hazard Assessment(Introduction to Nuclear Engineering)", Seoul National University (2020)

6. N. Tsoulfanidid and S. Landsberger, "Measurement and Detection of radiation", CRC Press (2015)

7. 원자력상식사전 편찬위원회, "원자력 상식사전", 박문각 (2016)

 

이미지

1. atomic.snu.ac.kr/index.php/선량한도_설정방법

2. www.radioactivity.eu.com/site/pages/Tritium.htm