1. 라돈가스의 환경적 문제점
자연상태의 방사성 물질에 의한 피해 중 가장 심각한 것은 라돈(Radon, 원자번호 86)에 의한 피해라 할 수 있 다. 라돈은 무색무취의 방사성 기체이며 우라늄의 자연붕 괴 사슬 중에 자연적으로 발생하며 반감기는 3.82일이다. 미국 환경보호국(USEPA)에서는 라돈 기체의 흡입을 흡연 다음의 폐암 요인으로 경고하고 있다(USEPA, 2003). 라 돈은 방사성 붕괴 과정 동안 14가지로 변환되는데, 각 단 계에서 원자핵은 방사선 알파, 베타 입자 또는 감마선을 방출한다. 라돈은 암석이나 토양에 존재하는 우라늄의 자 연붕괴로 대기 중으로 방출되거나, 물, 토양 반응에 의해 지하수로 함유되어 노출되고 인간의 흡입 및 섭취로 인체 내로 유입된다. 지하수, 암반 또는 건축 자재의 라돈은 작 업공간과 생활공간에 침투되어 피해가 발생할 수 있다. 라 돈은 지하수 섭취를 통해 인체로 고농도로 유입될 수는 있지만, 일반적으로는 암반과 흙에서 방출된 라돈의 기체 상태의 흡입이 더 큰 피해를 초래한다(그림 1). 라돈가스는 단일 원자로 구성된 가스이기 때문에 산소 (O2)분자보다 다양한 물질에 침투할 수 있다. 라돈은 일반적으로 건축물의 바닥이나 벽체의 균열이나 구멍을 통해 실내에서 감지되며, 종이, 플라스틱, 목재 및 단열재를 관 통할 수 있다. 또한, 물에서의 라돈 노출 경로로는 음용수 섭취나 욕실과 주방 등에서의 물 사용이 있을 수 있다. 그러나 라돈은 휘발성이 커서 일반적으로는 음용에 의한 위해도는 호흡에 의한 위해도보다 낮은 것으로 알려져 있 다. 물에 의한 영향은 전체 약 19%를 차지하며, 이 중 약 89%는 음용, 샤워, 및 설거지 등의 과정에서 호흡을 통해 이루어지고, 약 11%는 직접 섭취에 의한 것으로 알 려져 있다.
라돈가스가 인체에 유입되면, 라돈의 붕괴 생성물에 의 해 방출된 이온화된 라돈입자(알파 입자)는 폐의 수많은 조직과 반응하여 DNA 손상을 초래할 수 있다. 이것이 폐암의 원인이며, 이것은 매우 낮은 농도의 라돈이라도, 인체에 유해한 영향을 줄 수 있음을 나타낸다. 1998년 국 제 암 연구소는 라돈에 상대적으로 높은 농도로 노출된 지하 광부에 대한 역학 연구를 통해 라돈을 폐 발암 물 질 Group 1로 규정했다. 또한, 공기 중의 라돈가스에 장 기적으로 노출될 경우 폐암을 발생시킬 확률이 담배 다음 으로 높은 것으로 알려져 있다(USEPA, 2003).
유럽, 북미 및 중국의 세계 보건기구(WHO, World Health Organization) 연구에 따르면, 미국 환경 보호국 (EPA)은 개인이 리터당 4 pCi(picocurie)의 실내 라돈농 도에 평생 노출된 경우 폐암으로 사망할 위험이 23/ 1000(10−3)인 것으로 추정한다. EPA는 라돈의 노출로 인 해 매년 미국에서 21,000명이 폐암으로 사망한다고 추정 하고 있다(EPA, 2003). 실외 공기 수준과 비교하여 밀폐 된 공간에 있는 사람, 특히 광산 및 건물의 지하 작업장 에 있는 사람은 높은 농도의 라돈 및 붕괴 생성물에 노 출된다. 조완근 등의 연구에 의하면 다중 이용 건물 및 지하 실내 공간의 라돈 오염도는 환기장치가 없는 지하철 승강장이 가장 높은 수치 32 Bq/m3를 나타냈으며, 찜질방, 사무실 건물 지하실 및 지하 주차장 각각 14 Bq/m3로 두 번째로 높았으며, 지하상가, 보육시설, 환기장치가 있는 지 하철 승강장 순으로 나타났다. 또한, 대형 슈퍼마켓, 병원 1~2층, 2층 사무실 건물 2층이 낮은 라돈 농도를 나타냈 다. 이는 지상 실내 공간이 지하 실내 공간의 라돈 농도보다 낮게 나타났으며, 저자는 지하 공간이 라돈 오염원 인 토양에 보다 인접해 있기 때문으로 추정하였다(조완근 등, 2009).
Table 1.
Radon pollution level in multi-use buildings and underground indoor spaces (Bq/m3) ( 조완근 et al., 2009)
폐암 7,148건을 분석한 Darby 등의 연구에 의하면 (Darby et al., 2005) 주거 노출에서 폐암의 상대적 위험 은 라돈 노출 농도가 100 Bq/m3 증가할 때마다 8.4% (95% 신뢰구간: 3.0%-15.8%) 증가했다. 북미 지역에서 실시한 7회의 역학조사 결과를 종합하여 폐암 총 3,662건 을 분석한 Krewski 등(2006)의 연구에서도 이와 유사한 결과를 보고하였다(라돈 노출 농도 100 Bq/m3 증가 시 폐암의 상대적 위험 11% 증가; 95% 신뢰구간: 0%-28%).
2. 각국의 라돈가스 환경문제 사례
2.1. 한국
생활환경 중 라돈의 농도는 한국원자력안전기술원(KINS)에 의해 1981년부터 1989년까지 조사가 실행되어 왔으며, 2000년 이후부터 국민방사선 위해도 평가와 전국 실내라돈방사능조사연구 사업이 시행되어 왔다(한국원자 력안전기술원, 2010). 또한, 환경부에서는 2020년까지 라 돈 노출 취약지점을 중심으로 라돈 농도를 집중 분석하고 있다. 그림 5에 전국 주택의 실내 라돈 농도와 지체 구조 가 제시되었다. 전국 주택의 실내 라돈 농도의 주요 인자 는 토양 및 공기 중 라돈의 실내 유입과 건축재료에서의 방출이며, 화강암류의 분포와 유사하다. 즉, 화강암에 포 함된 라듐에서 발생한 라돈가스가 높은 농도의 원인일 수 있다. 그러나, 우리나라 환경기준에 따르면 집계된 전국 주택의 실내 라돈 농도는 유해한 수준은 아닌 것으로 판 단된다. 우리나라의 경우 지하상가 등 17개 다중이용시설 군과 학교 등에 대하여 실내 라돈 권고기준을 4 pCi/L로 설정하여 관리하고 있으며, 미국환경보호청(USEPA) 또한 실내 공간 기준치로 4 pCi/L(148 Bq/m3) 이하를 규제 기 준으로 제시하였다(질병관리본부, 2016).
행정구역별 산술 평균 라돈 농도를 집계해 본 결과, 전 라북도, 충청남도, 강원도의 평균 라돈 농도가 전체 평균 보다 다소 높게 측정되었다(환경부, 2010). 그러나 라돈 조사지점의 개수 및 대부분의 지점에서의 농도를 고려하 여봤을 때, 환경기준치를 밑돌아, 큰 의미가 없는 것으로 보고되었다. 각 지역의 라돈 농도는 위치 등의 지역의 지 리적 특성에 큰 영향을 받지 않는 것으로 판단된다.
Table 2.
Arithmetic mean radon concentration by administrative area of multi-use facility (Bq/m3) (Ministry of Environment, 2010)
2.2. 미국
미국국립연구위원회(National Research Council) 소속 Committee on the Biological Effects of Ionizing Radia-tion(BEIR)는 라돈에 노출된 광업종사자에 대한 연구 사례를 정리하였다(BEIR VI 1999). 해당 연구 사례들은 라돈 노출도가 증가함에 따라 폐암발병률 또한 증가하는 양 상을 나타내는 우라늄 광산을 대상으로 진행되었다. BEIR VI 위원회는 라돈 가스에 대한 11개의 연구를 바탕으로 라돈 독성의 위험성에 대한 결과를 제시하였다. 보고서에 따르면, 광업 종사자의 WLM(working level month)당 폐암사망률은 평균 약 0.44% 증가하였고, 노출시간에 대 한 가장 높은 사망률은 6~12년으로 라돈가스가 사람의 폐에 만성적인 독성을 나타내는 것으로 추정된다. 또한, 라돈 농도는 WL(working level) 단위로 표현되었으며, 낮은 라돈 농도(<0.5 WL)로 노출된 광부들이 높은 농도 (>15.0 WL)로 노출된 사람들보다 사망률이 약 9.10배 더 높은 것으로 나타났다.
BEIR VI 리스크 모델에서 광업 종사자에 대한 전반적 인 라돈 노출 농도의 범위를 분류하였고, 그 중 낮은 수 준에 해당하는 라돈 농도는 50 WLM 이하이다. 2007년에 수행된 북미 연구에 따르면, 1 WLM은 약 3,700 Bq/m3에 해당하며, 50 WLM은 고농도의 라돈을 방출하는 주거지 에서 장기간 노출하는 것과 같은 수치로 설명되었다. 광 업 종사자 기반 리스크 모델을 사용하여 광산 및 주택 노출의 상관관계를 비교하였고, 그 결과에 근거한 외삽법 에 따르면 주거용 라돈의 요인은 매년 폐암 사망의 거의 10-15%를 차지할 가능성이 있다고 추정된다(Krewski et al., 2006). 또한, Po-214(반감기: 26.8분) 및 Po-218(반감 기: 3.04분) 등의 반감기가 짧은 방사성 라돈 붕괴 생성물(short-lived radon decay product)은 세포 DNA를 손 상시킨다는 연구 결과가 제시된 바 있다(Krewski et al. 2006). 그러나 주거용 라돈 및 폐암에 관한 연구사례들은 라돈노출도와 폐암발병률에 대한 확실한 증거가 제시되지 는 않았다. 결론적으로, 해당 연구의 결과는 라돈 노출도 와 광업 종사자들의 폐암 발병률의 관계성을 직접적으로 입증하지는 못하였으나 가능성을 제시하였다.
2.3. 독일
2005년 독일에서 최대규모의 사례가 연구되었다. Wichmann et al.(2005)에 따르면, 2,963건과 4,232건의 대조군으로 구성된 24세에서 75세 사이의 피실험자를 대 상으로 실내 라돈에 대한 노출 농도가 50, 80, 및 140 Bq/m3 인 3 개의 그룹으로 분류되었다. 이 연구는 라돈 노출과 폐암 사이의 선형적 반응 관계가 비흡연자보다 흡 연자에서 더 명백하다는 것을 보여준다(Kreuzer et al. 2002).
2.4. 스페인
Torres-Durán 등(2014)은 스페인 갈리시아에서 192개의 폐암 사례와 329개의 대조군을 분석하고, 연구하였다. 연 구 대상은 30세 이상의 흡연자를 대상으로 하였다. 이 연 구는 실내 라돈과 폐암 사이의 중요한 관계를 보여주었다. 가장 높은 라돈에 노출된 개인(>200 Bq/m3)의 노출교차비 (OR)는 가장 낮은 라돈에 노출된 그룹(<100 Bq/m3)에 비 해 2.42(95% CI : 1.45-4.06)를 나타냈다. 또한, 200 Bq/m3 이상의 농도에 노출되었고 흡연자와 함께 살지 않은 개인은 1.99의 OR을 나타냈다(95% CI : 1.16-3.41). 또한, 이러한 결과는 폐암 위험에 대한 실내 라돈 노출과 간접 흡연과의 관계를 시사한다. 갈리시아의 토양은 높은 수준 의 화강암이 포함되어 있기 때문에 모든 주택의 약 20%가 실내 라돈에 대한 EPA의 action level(4 pCi/L)보다 높은 것으로 집계되었다. 이 연구는 실내 라돈과 폐암 위험 사 이의 연관성의 중요한 증거를 보여주었다(USEPA, 2012).
2.5. 스웨덴
라돈과 폐암 발병률에 대한 상관관계를 알아보기 위해, Pershagen 등(1994)은 1980년에서 1984년까지 폐암 발병 진단자들 중 35살부터 74살 사이의 여성 586명, 남성 774명을 대상으로 상관관계를 분석하였으며, 발병하지 않 은 대조군으로서 여성 1320명, 남성 1467명을 설정하였 다. 또한, 흡연 습관 등 타 요인들에 대해서도 연구된 것 으로 보고된다.
생활환경 내 라돈농도에 영향을 미치는 주요인자 중 하 나는 환기로서, 창문의 여닫힘이 주요 인자로 작용할 수 있다. 실험자들은 측정 가능했던 거주 기간의 평균 81.6% 동안 열린 창문 근처에서 수면을 취하였고, 이 실험자들 을 분석에서 제외하였을 때, 리터당 라돈 2.7 pCi 당 초 과 위험은 0.18(95% 신뢰 구간, 0.06~0.37)로 보고되었다. 열린 창 근처에서 잠을 잔 실험자와 그 외 실험자들 사 이에서 폐암 위험의 명백한 차이는 보이지 않았다. 본 연 구에서는 시간 가중 평균 노출도(time weighted mean exposure)을 이용하여 분석하였을 때, 폐암 발병률과 라돈 의 누적된 노출량이 밀접한 관계가 있는 것으로 추정된다.
Table 3.
Relative Risk of Lung Cancer in Sweden, 1980–1984, According to Time-Weighted Mean Residential Radon Exposure since 1947 and the Habit of Sleeping near an Open Window (Pershagen et al., 1994)
*1 Bq/m3=37*1 pCi/L, 각 분류된구간의 첫 줄은 실험군의 숫자, 두 번째 줄은 대조군의숫자를나타낸다. 상대 위험도와 95% 신뢰 구간(CI)은 연령, 직업, 성별, 흡연 습관, 주거 지역(도시, 전원) 등을 조정한 후 나타내었다.
†해당 카테고리는 라돈 농도가 단위당 증가함을 나타낸다.(1 단위 = 2.7 pCi/L 또는 100 Bq/m3)
‡표시된 수치는 통계학적으로 유의미한 값을 나타내지 않는다(P≥0.05). 신뢰 구간에 0이 포함된 경우, 사용된 계산 방법으로는 하한을 계 산할 수 없기 때문에 상한만 표시되었다.
3. 라돈가스 유입의 방지법
특정한 지점에 적용할 라돈가스 차단 기술을 선정할 때 는 라돈 농도를 위험 수준 이하로 낮출 수 있는지, 정화 과정이 안전한지, 장기적 효과가 있는지, 모니터링이 용이 하며 정화과정에서 소음이 발생하는지, 설치와 운영 및 유 지 보수를 위한 비용이 효율적인지를 고려해야 한다. 위 와 같은 기준들을 토대로 다양한 라돈가스 처리 기술들이 존재하며 각 기술의 효과와 평가는 표 4에 정리되어 있다. 라돈가스 정화시에 가장 중요한 기술적 요소는 공기의 흐름이다. 이 흐름은 대류에 의해 토양에서 바깥공간으로 자연스럽게 이어져야 한다. 라돈은 기압의 차이에 의해 실 내로 들어오는데, 이는 라돈 가스가 실내로 유입되는 가 장 큰 이유이다. 그렇기에 이러한 기압의 차이를 이용한 라돈가스 정화방법 및 기술이 다양하게 연구되고 있다. 토 양감압법과 같은 기술이 적용 가능하며 토양과 실내 사이 의 공기는 주로 membrane으로 차단한다. 이 기술에서 사용되는 membrane은 고체나 어떠한 액체도 통과할 수 없 고 오로지 기체만 통과하도록 제작된 membrane을 사용한 다. 또한, 특정 지역의 라돈가스의 차단 및 정화에서는 지 역의 특성을 고려하여 주로 어떠한 경로로 라돈가스가 발 생하고 유입되는지에 대한 공학적 분석이 필수적이다. 라 돈가스 차단 및 정화기술은 다른 정화기술과 함께 적용하 여 제거효율을 극대화시키기도 한다. 다음은 라돈가스 차 단 및 정화기술이다.
3.1. 토양배기법(Active Soil Depressurization, ASD)
토양배기법은 토양 내 공기를 인위적으로 외부로 배출함에 따라 기압을 상대적으로 실내보다 낮게 만들어서 토 양으로부터 유입을 방지하는 기술이다. 토양배기법은 장 비의 설치가 쉽고 자연배출법(Passive Soil Depressuri-zation, PSD)에 비해 라돈가스를 더 효율적으로 제거한다 (USEPA 1993). 토양배기법은 주로 건물 설계자들이 선호 하는 방식이며 캐나다 과학자인 Scott에 의해 1979년에 처음으로 적용되었다. 토양배기법은 다음과 같은 요소를 포함한다.
- 공기 흡입 지점은 지하에 위치하며, 이는 집의 바닥과 접촉하고 연속 투과성 골재 층과 지하수 제어 시스템 에 연결된다.
- 위의 그림과 같이 건물의 가장 높은 위치로 사람의 노출을 최소화 할 수 있는 곳에 배출 지점을 둔다. 지상으로 방출된 라돈가스가 다시 압력에 의해 집안 으로 돌아들어올 수 있기 때문에 배출지점은 높은 곳 에 존재해야 한다(Henschel and Scott, 1991). 가스의 농도가 낮더라도 토양배기법을 통해 관리해야 한다.
- 집 밖에 inline fan을 설치하여 연속적으로 가동하는 것이 필수적이다. 토양배기법의 가장 주요한 장점은 적은 에너지로 높은 효율을 낼 수 있다는 점이다.
본 시스템에 태양광, 혹은 풍력을 적용하여 유지관리비 를 저감하는 것도 시스템 지속가능성을 확보하는 아이디 어라 할 수 있다.
3.2. 자연배출법(Passive Soil Depressurization, PSD) 자연배출법은 토양배기법과 매우 유사하다. 신축 공사 에서 자연배출법은 라돈을 약 50% 이상 저감 가능하다 (Dewey and Nowak, 1994). 자연배출법 시스템이 정확하 게 설계되고 설치되면 작은 팬을 사용하여 시스템을 활성 화 할 수 있다(Saum, 1991). 팬의 크기가 작을수록 효율 성은 증가하지만 제거효율이 낮아질 수 있기 때문에 적절 한 크기를 선택해야 한다.
3.3. 표면 밀봉 기술
표면 밀봉 기술은 토양배기법이나 자연배출법과 함께 사용될 때 외부 토양과 실내 공간을 분리하여 처리하므로 매우 효과적이며 최대 제거효율을 보여줄 수 있다. 즉, 표 면을 밀봉함으로 지중으로부터의 공기의 유입을 유도, 보 장하고, 실내로부터 유입되는 short circuit 현상을 막아준 다. 이렇게 표면 밀봉 기술은 실내에 존재하는 깨끗한 공 기의 손실을 막아주는데, 그 효율이 매우 높다고 알려져 있다(Henschel, 1993). 표면 밀봉 기술은 독립적으로 적용 가능한 기술이지만, 라돈가스 제거에 있어서는 한계가 존재하여 이 기술만으로는 충분한 양의 라돈가스 저감이 불 가능하다(Brennan, 1990). 즉, 타 기술의 효율을 높여주는 보조적인 기술이라 할 수 있다(Scott, 1993).
3.4. 차단막 설치 기술
토양과 실내 사이에 차단막을 설치하는 기술은 라돈가 스 유입방지에 있어서 매우 효율적이며 단독 기술로도 적 용 가능하다. Membrane과 같은 막은 수분이 실내로 유 입되는 것도 막을 수 있어서 더 효율적이다. 차단막을 설 치할 때에는 강도, 확산성, 지속성, 내구성과 같은 특성을 반드시 고려하여 결정해야 한다(SINTEF, 2007). 이 차단 막 설치 기술을 토양배기법이나 자연배출법과 함께 적용 할 때, 차단막은 반드시 연속적으로 전 영역에 설치 존재 할 필요는 없다.
3.5. 환기법
환기법과 같은 점유 공간과 토양 사이의 빈 공간의 공기 를 순환시키는 것은 실내 공기를 토양에서 분리하여 실내 라돈 농도를 줄일 때 효과적이다. 환기법은 다양한 주변 환 경적 요소들에 따라 효율성이 달라지기도 한다. 실내공기 와 실외공기를 성공적으로 분리할 수 있는지가 매우 중요 하다. 환기법은 팬을 이용하여 빈 공간에 가압을 하여 빈 공간도 활용할 수 있어야 한다. 그러나 팬을 활용한 감압 은 back drafting이나 효율성 감소와 같은 문제를 야기할 수 있으므로 주의해야 한다(ASTM, 2003). 그러므로 이렇 게 건물내에 빈 공간이 많아서 환기법 적용이 어려울 경우 에는 막 횡단 감압(Submembrane Depressurization, SMD) 법을 적용하여 라돈 가스의 농도를 감소시켜야 한다.
4. 결 론
라돈은 우라늄의 자연 붕괴로 자연적으로 발생하는 무색 무취의 방사성 기체이며 반감기가 3.82일이다. 토양에 존재하는 우라늄의 자연붕괴로 대기로 방출되거나 물, 토 양 반응에 의해 지하수로 함유되어 인간에게로 노출된다. 라돈가스는 단일 원자로 구성되어 다양한 물질에 침투할 수 있다. 세계보건기구(WHO)는 전 세계 폐암 발생의 3~14%가 라돈에 의한 것이며, 라돈을 흡연에 이은 폐암 발병 주요 원인물질로 규정하고 있다. 이러한 위해성으로 우리나라의 경우 다중이용시설에 대해 실내 라돈 권고기 준 4 pCi/L로 설정하여 관리하고 있으며, 환경부에서 2018년 먹는물 수질감시항목에 라돈을 포함시켜 모니터링 을 실시하고 있다. 또한, 국민의 라돈 노출 최소화를 위해 라돈 무료 측정 및 컨설팅 서비스(www.radon-free.or.kr) 를 제공하며 라돈에 대해 관리하고 있다.
국내 라돈 농도는 토양 및 공기 중에서의 유입과 건축 재료에서의 방출로 인해 누적되며 국내외 라돈 실내 규제 기준에 따르면 우리나라의 실내 라돈 농도는 유해한 수준 은 아닌 것으로 판단된다. 또한, 국외에서 실내 및 지하 광업 환경을 대상으로 폐암 발병률과 라돈 노출도에 대한 상관관계를 분석한 결과 밀접한 연관성의 가능성을 제시 하였다. 라돈의 방출원과 이동 매커니즘에 따라 라돈 저 감 기술 및 정책이 상이해질 것으로 판단되므로 환경에 따른 적절한 적용이 필요하다.
라돈가스가 환경적으로 인간에게 위험한 물질인 만큼, 이를 처리하기 위한 다양한 기술들이 개발되었다. 토양배 기법, 자연배출법, 표면 밀봉 기술, 차단막 설치 기술, 환 기법 등의 방법을 소개하였다. 문제가 발생한 각 상황에 따라 적절한 기술을 적용하여 경제적이면서 시간적으로도 효율적인 해결책을 찾는 것이 무엇보다 중요하다. 라돈가 스의 위험성이 알려지면서 더욱 효율적이고 다양한 공학 적 해결 기술들의 개발이 필요한 상황이다. 안전하고 빠 르고 경제적으로, 인간에게 위해가 되지 않도록 하기 위 한 다양한 기술연구가 필수적인 상황이다.
