방사성동위원소는 원자핵 속에 중성자 또는 양성자 중 어느 한 쪽이 너무 많아 균형이 맞지 않는 상태에 있는 것이라는 것을 지금까지 설명하였다. 따라서 자연계에서 쉽게 구할 수 있는 안정동위원소의 원자핵에 인위적으로 중성자나 양성자를 넣어 주면 방사성동위원소가 만들어 질 것이다. 이러한 장치로 대표적인 것이 원자로와 사이클로트론이다.
원자로는 우라늄-235와 같은 핵연료가 핵분열을 일으키면서 중성자와 에너지를 방출하고 이 때 생성된 중성자에 의하여 다른 원자핵이 분열하는 연쇄반응이 일어나도록 하는 시설이다.
이때 생성되는 열을 이용하여 발전을 하는 것이 원자력발전소이고, 생성되는 중성자로 각종 방사성동위원소를 만드는 것이 연구용원자로이다. 우리나라에 원자력발전소는 주로 울진, 월성, 고리, 영광 등 해안지대에 있으나 연구용원자로는 대전의 원자력연구소에 1995년부터 가동을 시작한 '하나로'라는 원자로 1기가 있다. 원래는 서울에 트리가마크라고 하는 원자로가 있었지만 하나로가 가동되면서 가동이 중단 되었다.
원자로에서는 물질의 원자핵 속에 중성자를 넣어 주어 중성자가 과잉인 핵종을 만들어 준다. 따라서 베타선 또는 베타선과 감마선을 동시에 방출하는 핵종을 주로 만든다.
예를 들면 요드-131, 탄소-14, 인-32, 몰리브덴-99, 홀뮴-166, 레늄-186 등이 있는데 이들을 만들기 위해서는 이들보다 중성자가 하나 적은 동위원소 즉 요드-130, 탄소-13, 인-31, 몰리브덴-98, 홀뮴-167, 레늄-185 등을 원자로 속에 넣어 주면된다.
먼저 이야기하였다시피 베타선을 방출하는 핵종은 치료용 방사성의약품으로 사용된다. 따라서 이렇게 만든 방사성동위원소 중 요드-131, 인-32, 홀뮴-166, 레늄-186 등은 실제로 갑상선암, 진성적혈구증다증, 간암, 뼈 전이암 통증 치료 등에 사용을 하고 있다. 물론 원자로에서는 이보다 훨씬 복잡한 방법으로 다양한 방사성동위원소를 만들어 낸다.
원자로 안에서 만들어지는 중성자는 인체에 독성이 강하므로 외부로 나오지 못하도록 차폐를 철저히 하여야 한다.
또한 핵분열시 나온 중성자는 속도가 너무 빨라 그 다음 핵분열을 일으키지는 못하여 속도를 줄여 주어야 한다. 감속을 한다고 하면 납과 같은 무거운 물질을 얼핏 떠 올린다.
그런데 중성자는 양성자와 질량이 거의 같고 전기를 띠지 않아서 납과 같은 무거운 원자핵과 부딪히면 당구대에 부딪힌 당구공처럼 완전탄성충돌을 하여 그 속도가 거의 줄어들지 않으므로 감속이나 차폐가 되지 않는다. 그런데 수소 원자핵처럼 가벼운 원자핵과 부딪히면 당구공에 부딪힌 당구공처럼 튀면서 멈추거나 속도가 줄어들게 된다.
따라서 중성자를 차폐나 감속하려면 가벼운 원자핵을 가진 물질로 주변을 둘러싸야 하는데 이때 보통 물로 둘러싼 것을 경수로라고 하여 한국, 미국 등에서 가장 널리 이용되는 방법이다.
중수소로 된 물로 둘러싼 것을 중수로라고 하여 아주 낮은 우라늄-235 농도를 가진 핵연료도 사용이 가능한데 캐나다에서 개발된 방법이고 월성 원자력발전소에 사용한다.
탄소원자로 된 흑연으로 둘러싼 원자로를 흑연로라고 하는데 구소련, 북한 등 공산국가에서 주로 사용되던 방식으로서 열효율이 낮아 발전량에 비하여 사용 후 핵연료 폐기물의 발생이 많아서 현재는 거의 건설되지 않고 있다.
북한도 흑연로의 가동을 중단하는 대신에 한국이 경수로를 건설해 주고 있다. 정치적인 문제가 잘 해결되어 이러한 사업이 순조롭게 진행이 되면 남북관계 개선 및 한반도 에너지 문제 해결에 큰 도움이 될 것이다.
2004년 5월 3일
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