바카라 추천물 관리에 중요한 방사성 핵종 분석을 "30분" 내에 "완전 자동"으로 수행
-해체 및 방사성 바카라 추천물 처리 가속화를 위한 분석 기술 확립-

그림 1 개발됨²³⁷Np 자동 분석 시스템의 개념도

[요약]

방사성 핵종의 종류와 양에 대한 정확한 분석은 해체 작업과 방사성 바카라 추천물의 처리 및 바카라 추천에 필수적입니다 특히 수명이 길고, 소량이라도 건강과 환경에 큰 영향을 미칠 수 있습니다악티노이드[1]의 분석 중요합니다 분석할 원자의 질량을 측정하는 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)은 악티늄족 원소를 분석하는 데 널리 사용되는 방법입니다 그러나 이 분석 방법은 복잡한 시료 전처리가 필요하며 신뢰할 수 있는 분석 값을 얻는 데 며칠이 걸립니다

따라서 연구팀은 악티나이드 중에서도 분석이 어렵다는 사실을 발견했습니다넵투늄-237(²³⁷Np）[2]분석기는 표준 ICP-MS보다 성능이 뛰어난 유도 결합 플라즈마 탠덤 사중극자 질량 분석기(ICP-MS/MS)를 사용하며, 시료 조건을 자동으로 조정하는 고유한 전처리 섹션이 연결되어 있습니다(그림 1) 시료를 전처리 구간으로 유입시키면서 해당 유동경로에서²³⁷Np를 다른 원소와 분리하기에 적합한 상태로 변환한 후(그림 1 "전기분해"),²³⁷Np는 ICP-MS/MS에 도입되기 전에 분리 및 농축됩니다(그림 1 "대략 분리") 또한 분석기는 산화질소와 같은 가스와의 반응성 차이를 이용하여 선택을 수행하므로(그림 1 "정밀 분리") 선택성이 매우 높습니다²³⁷Np 감지가 가능해졌습니다 (특허출원 : 특허출원 2025-151958 악티나이드 원소 분석 시스템)

이 자동 분석 시스템의 성능을 확인하기 위해²³⁷우라늄-238 (²³⁸U)를 다량 함유한 샘플에 대해 테스트를 실시했습니다 예를 들어, 사용후 연료로 인해 오염된 바카라 추천물의 경우,²³⁷NP의 경우²³⁸많은 U가 포함되어 있습니다 개발된 분석 시스템을 이용하여,²³⁷NP의 경우²³⁸U가 270,000번 포함되어도²³⁷Np의 정확한 정량화가 가능함을 확인했습니다 측정 시간은 샘플당 25분(기존 방법의 4일에 비해 약 1/100)이 소요되며, 샘플 1mL에 함유된 양은 01피코그램(소금 1알(01밀리그램)의 1/10억분의 1)입니다²³⁷Np를 감지할 수 있는 성능을 달성했습니다 전체 시스템은 바카라 추천성 물질을 가두도록 설계되었으며 컴퓨터 제어 하에 자동으로 작동하여 분석 작업자의 노출 및 오염 위험을 줄입니다

우리가 개발한 이 기술은 해체 장소의 신속한 확인과 바카라 추천성 폐액의 공정 제어를 가속화하여 인력, 시간 및 비용을 크게 절감하는 데 기여합니다

이 연구는 야나기사와 카요 연구 소장, 오카 도시타카, 연구 책임자 키타츠지 아키히로, 바카라 커뮤니티 원자력 과학 연구 센터 핵 화학 연구 그룹(사장: 오구치 마사노리), 연구 책임자 오카 도시타카, 기타츠지 아키히로 연구 책임자, 국제 합동 센터 해체 관리 그룹 마츠에다 부연구 소장이 수행했습니다 해체환경, 후쿠시마 해체안전공학연구소

이 결과는 바카라 추천성 화학에 관한 국제 과학 저널인 "Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry"의 온라인 공개 버전(2025년 12월 5일)에 게재되었습니다

[배경 및 역사]

방사성 물질이 포함된 바카라 추천물(연료 잔해, 사용후 연료, 고준위 방사성 바카라 추천물 등)을 안전하고 효율적으로 처리하고 처리하려면 포함된 방사성 핵종의 유형과 양을 정확하게 이해하는 것이 필수적입니다 특히 악티나이드는 반감기가 길고 인체와 환경에 미치는 영향이 크기 때문에 우선적으로 분석해야 하는 방사성핵종이다 TEPCO의 후쿠시마 다이이치 원자력 발전소의 해체가 진행됨에 따라 분석의 필요성이 더욱 증가하고 있습니다

악티나이드 분석용질량분석기 [3]널리 사용되고 있으며 그 중 유도결합플라즈마질량분석법(ICP-MS)은 다른 질량분석법에 비해 초기 비용이 상대적으로 저렴하고 조작이 간편하며 활용도가 높아 많은 분석 기관에서 채택하고 있습니다

ICP-MS는 시료 용액에 포함된 원소를 고온 플라즈마를 이용하여 이온화한 후 각 이온을 이온화시키는 과정입니다m/z[4]을 기준으로 분리(질량분리), 측정하는 방법입니다 최근에는 질량 분리를 위해 2개 이상의 사중극자를 탑재한 고성능 ICP-MS/MS가 인기를 얻고 있습니다 그러나 ICP-MS는 기기 내 분석물질 이온에 가까운 m/z로 이온(간섭이온)을 충분히 식별할 수 없으므로 측정 전 간섭이온을 제거해야 합니다 한편, 악티니데스산화수[5]3408_3459|로 표시되는 광범위한 화학적 상태 복잡하고 시간이 많이 소요되는 화학적 작업이 필요하며 전체 분석에는 며칠이 걸립니다⁽¹⁾대부분의 작업이 수작업으로 이루어지기 때문에 바카라 추천선 피폭 및 오염 위험이 있으므로 작업자에게는 고도로 숙련된 기술이 필요합니다 다른 산업분야도 마찬가지지만 사회가 고령화되면서 원자력 분야에서도 기술계승이 분석의 이슈로 인식되고 있다

이러한 분석 요구가 증가함에 따라 분석에 소요되는 시간과 복잡성, 인력 교육의 어려움이 병목 현상을 일으키고 있으므로 더 빠르고 간단하며 기술이 필요 없는 분석 기술에 대한 수요가 높습니다

많은 분석 과정이 수작업에 의존하고 있는 현 상황에 대한 해결책으로 연구팀은 "온라인 고체상 추출/ICP-MS"를 개발했습니다^(2)-(4)이 방법은 열에 포함되어 있습니다고체상 추출제 [6]을 사용하여 액체펌프, 스위칭 밸브, ICP-MS와 연결하여 고상추출부터 측정까지 연속적인 과정을 수행할 수 있습니다 각 공정은 컴퓨터 제어로 자동화되어 작업자가 손을 움직일 필요 없이 빠르고 쉽게 분석값을 높은 재현성으로 얻을 수 있습니다 그러나 악티나이드는 동일한 원소이지만 다양한 산화 상태로 존재하며, 서로 다른 산화수를 한꺼번에 처리할 수 있는 고상 추출제는 없으므로 분석을 시작하기 전에 산화수를 정렬하는 것이 필요합니다 또한, 환원제를 혼합하는 기존 방법은 자동화가 어렵고, 온라인 고상추출/ICP-MS를 악티나이드 분석에 적용하기 위해서는 환원제를 사용하지 않고 산화수 조절이 필요했다

현재까지 연구팀은 악티나이드를 고체상 추출에 적합한 산화수로 쉽게 제어하는 기술 개발에 힘써 왔습니다⁽⁵⁾악티나이드(전해환원[7]) 이 방법은 환원제를 사용하는 방식에 비해 전기적 공정이기 때문에 환경에 미치는 영향이 적고 깨끗한 반응이 가능한 장점이 있다 이러한 전해환원이 연속적인 처리가 가능한 기술로 개선된다면 온라인 고상추출/ICP-MS와 결합하는 것도 가능해질 것이다

이러한 배경을 바탕으로 연구팀은 악티나이드 분석을 보다 빠르고 간단하며 기술이 필요 없는 방식으로 만들기 위해 Pt/GC-WE와 온라인 고체상 추출/ICP-MS를 사용한 전해환원을 통합하여 악티나이드 분석에 특화된 자동 분석 시스템을 개발하기 시작했습니다

[이 결과]

이 연구에서는 악티늄족 중에서 분석하기 어려운 넵투늄-237(²³⁷Np), 자동 분석 시스템 개발을 목표로 했습니다²³⁷Np 분석에서 주목해야 할 것은 우라늄-238입니다 (²³⁸U)²³⁸U는 사용후연료입니다²³⁷Np보다 수천 배 더 많이 함유하고 있으며 환경 샘플에서는 수백만 배 더 풍부할 수 있습니다⁽⁶⁾⁽⁷⁾。²³⁸기기 내부에 U의 양이 많은 경우²³⁷NP 신호로²³⁸U 신호가 과도하게 계산되어 정확한 분석값을 얻을 수 없습니다²³⁷올바른 Np 측정을 방해하는 물질입니다²³⁸핵심은 U를 제거하는 방법입니다

질량분석기로 측정하기 전에는 고상추출제를 사용하여 Np만 분리합니다 그러나 Np는 3~7의 산화수를 가지므로 4가 상태로 조절하는 것이 필요하며, 이는 고상 추출제에 흡착되기 쉽도록 한다 이에 연구팀은 Pt/GC-WE를 이용해 전해환원을 적용해 온라인에서 Np를 4가로 변환하는 '유동 전해환원' 기술을 개발했다 단순히 샘플 용액을 유동 전기분해 셀에 통과시킴으로써 과도한 바카라 추천물 시약을 생성하지 않고 Np를 4가로 조정할 수 있습니다(그림 2)

그림 2 유동 전해 환원에 의한 Np 산화수 제어 결과

Np는 일반적으로 5가 상태로 존재하며 유동 전해 셀(왼쪽)을 통과할 때 4가 상태로 변환됩니다 전환율은 최대 99%였습니다

다음으로, 흐름 전해 환원을 통합한 자동 분석 시스템을 만들었습니다(그림 3) 이 시스템에서 샘플 용액은 유도 결합 플라즈마-탠덤 사중극자 질량 분석기(ICP-MS/MS)에 들어가기 전에 유동 전기분해 셀과 고체상 추출로 전처리됩니다 4가 Np의 흡착 및 용출은TEVA 수지[8]로 채워진 열 스위칭 밸브를 제어하는 ​​데 사용됩니다 U는 TEVA 수지에 흡착되지 않고 배수되지만, 시료에 U가 너무 많으면 일부가 완전히 제거되지 않고 Np와 함께 ICP-MS/MS에 들어갈 수 있습니다

그림 3 자동분석시스템의 외관(좌) 및 흐름경로 모식도(우)

따라서 이 시스템에는 질량 분리 및 가스 반응을 활용하여 분석기 내에서도 U를 추가로 제거하는 "질량 이동 방법"에 기반한 분리 체계가 장착되어 있습니다(그림 4) ICP-MS/MS의 질량 분리 섹션은 동적 반응 셀과 이를 사이에 끼운 두 개의 사중극자로 구성됩니다 첫 번째 사중극자는 m/z 237 이온만 통과하도록 설정되고, 두 번째 사중극자는 m/z 253 이온만 통과하도록 설정되며, 일정량의 가스(이 경우 산화질소(NO))가 동적 반응 셀을 통해 흐릅니다 플라즈마에 의해 이온화됨²³⁷NP⁺(m/z 237)은 첫 번째 사중극자를 통과한 후 NO와 반응합니다²³⁷NP¹⁶O⁺(m/z 253), 두 번째 사중극자를 통과하여 감지됩니다 반면에²³⁸U⁺(m/z 238)은 작은 양이라도 통과하더라도 첫 번째 사중극자를 통과할 수 없습니다²³⁸U¹⁶O₂⁺(m/z 270), 두 번째 사중극자를 통과할 수 없으므로 제거됩니다 이 분리 방식을 고체상 추출과 결합함으로써,²³⁷U가 Np보다 270,000배 더 많아도 분리는 가능합니다

그림 4 ICP-MS/MS를 통한 질량 분리 및 가스 반응 사용²³⁷NP 및²³⁸U를 분리하고 감지하는 메커니즘

실제 방사성 바카라 추천물의 경우²³⁷Np가 첨가된 시료를 분석한 결과, 정확한 정량화가 가능함을 확인하였습니다(Figure 5) 분석 시간은 기존 방법(4일) 대비 샘플당 약 25분 정도 소요됩니다⁽¹⁾)이 약 1/100으로 줄었습니다 이 방법의²³⁷Np 검출 한계는 36 mBq/L (= 01 ng/L)이므로 극히 적은 양이라도 측정이 가능합니다 시스템은 반밀폐형이며 컴퓨터로 제어되므로 수작업을 줄이고 작업자 노출 및 오염 위험을 줄입니다

그림 5²³⁷Np가 첨가된 바카라 추천성 폐액 시료의 분석시험 결과

바카라 추천성 폐액 샘플로²³⁷Np 첨가량을 변경하면서 분석을 수행했습니다 두 경우 모두 기대값(검은색)과 분석값(빨간색)이 잘 일치합니다²³⁷Np가 정확하게 분석되었음을 나타냅니다

개발된 시스템은 유속전해환원, 온라인 고상추출, ICP-MS/MS를 통합 제어하며 극미량의 악티나이드 분석이 가능하다는 점에서 참신하여 특허를 출원하였습니다(특허출원 제2025-151958악티나이드 원소 분석 시스템)

[미래 전망]

이번에, 이 시스템은²³⁷Np 분석에 최적화되어 있지만 Pt/GC-WE를 사용한 흐름 전해 환원은 플루토늄 등의 원자가 조정에도 효과적입니다⁽⁵⁾, 미래에²³⁷Np 이외의 분석에도 적용할 수 있습니다 이번 결과는 해체현장의 신속한 스크리닝과 바카라 추천성폐액 공정관리 등에 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 분석 및 분석 비용에 따른 인적, 시간적 부담을 줄이는데도 기여할 것으로 기대된다

또한, 이 시스템을 구성하는 ICP-MS/MS는 주기율표의 대부분의 원소를 분석할 수 있는 널리 사용되는 장치입니다 향후에는 원자력 분야뿐만 아니라 의약/제약, 재료과학, 식품, 지구화학 등 폭넓은 분야에서 다중 시료의 연속 측정 및 신속한 스크리닝 분석법으로 활용될 것으로 기대된다

[논문 정보]

저널 이름: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry

논문 제목: 넵투늄-237의 신속한 측정을 위해 고체상 추출 및 ICP-MS/MS와 결합된 자동 유동 전기분해

저자 이름: 야나기사와 카요¹, 마츠에다 마코토^1,2, 오카 토시타카¹, 키타츠지 요시히로¹

소속:¹일본원자력기구, 원자력과학연구소, 원자력공학연구센터,²일본원자력기구, 후쿠시마 해체안전공학연구소, 해체환경 국제협력센터

DOI:101007/s10967-025-10607-z

[연구개발 시설]

일본원자력청 원자력과학연구소 제4연구동

[참조]

(1) 구미, 시마다, 이시모리, 하라가, 카타야마, 호시, 나카지마, “연구시설 바카라 추천물에 포함된 방사성핵종에 대한 간단하고 신속한 분석 방법(분석 지침)”, JAEA-Technology 2009-051
https://doiorg/1011484/jaea-technology-2009-051

(2) Y Takagai 외, Anal 방법, 6, 355-362(2014)
https://doiorg/101039/C3AY41067F

(3) M Matsueda 외, ACS Omega, 6, 19281-19290(2021)
https://doiorg/101021/acsomega1c02756

(4) K Yanagisawa 외, Talanta, 244, 123442 (2022)
https://doiorg/101016/jtalanta2022123442

(5) Y Kitatsuji 외, Electrochim Acta, 74, 215-221(2012)
https://doiorg/101016/jelectacta201204055

(6) 안도 다카노, “사용후 경수로 연료의 핵종 조성 평가”, JAERI-Research 99-004
https://doiorg/1011484/jaeri-research-99-004

(7) N Qin 외, J Environ 바카라 추천성, 271, 107328
https://doiorg/101016/jjenvrad2023107328

[부여 정보]

이 연구는 과학 연구를 위한 보조금(Grant No: 24K23110)의 일부 지원을 받았습니다

[용어 설명]

[1] 악티나이드

원자번호 89번 악티늄부터 원자번호 103번 로렌슘까지 총 15개 원소를 가리키는 일반 용어로, 모두 바카라 추천성 핵종입니다 이 중 토륨, 프로탁티늄, 우라늄은 자연계에 존재하며, 넵투늄을 포함한 12개 원소는 인공원소라고 한다

[2]넵투늄-237(²³⁷NP)

우라늄-238이 중성자를 흡수하고 베타 바카라 추천선을 방출할 때 원자로에서 생성됩니다 약 214만년이라는 긴 반감기를 갖고 있어 사용후핵연료 재처리 등에서 분석하는데 중요한 핵종이다

[3] 질량 분석법

샘플의 원자와 분자를 이온화하고 m/z를 측정하여 포함된 물질을 식별하고 농도를 측정하는 방법입니다 유도 결합 플라즈마 질량 분석기(ICP-MS)는 플라즈마를 사용하여 원자와 분자를 이온화합니다 유도 결합 플라즈마-탠덤 사중극자 질량 분석기(ICP-MS/MS)에는 질량을 기준으로 이온화된 원자와 분자를 스크리닝하는 두 개의 분석기가 있어 측정 데이터의 정확도가 높습니다

[4] m/z (발음: M over G)

상대 질량 대 전하 비율 이온의 질량을 통일 원자 질량 단위로 나누어 얻은 상대 질량을 이온의 전하 수로 나누어 얻은 무차원 양입니다 질량분석법에서 이온의 무게에 해당함

[5] 산화수

화합물이나 이온을 구성하는 원자가 전기적으로 중성 원자에 비해 얼마나 많은 전자를 잃거나 얻었는지 보여주는 수치입니다 가능한 산화수의 범위는 원자에 따라 다릅니다

[6] 고체상 추출제

고체상 추출(방법)은 화학적으로 변형된 실리카겔, 폴리머와 같은 고체 기능성 물질을 사용하여 물리적 또는 화학적 특성을 바탕으로 수용액 속의 목적 물질과 불순물을 분리하고 농축하는 작업입니다 고상추출제는 그 목적으로 사용되는 고형물질을 말한다

[7] 전해환원

수용액을 전기분해할 때 일어나는 환원반응

[8] TEVA 수지

고체상 추출제, 4가 악티나이드 등을 분리하는 데 사용되는 Eichrom Technologies(미국) 제품