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원자력 에너지가 되는 원소들의 종류에 대해서 오늘은 한번 알아보도록 하겠습니다. 원자력 에너지라는 것을 한번쯤은 들어보셨을 겁니다. 그렇다면 아래에서 확인해보시죠

 

1. 우라늄

우라늄은 천연 원소 가운데 가장 무거운 원소이며, 거대한 에너지를 널 수 있는 원자로와 원자폭탄의 물질이라는 것을 알고 있다. 우라늄 성 분은 자연계에서 피치블렌드, 우라나이트, 엘로케이크, 모나자이트 샌드 등에서 발견된다. 세계 각 나라는 우라늄광을 함부로 개발하는 것을 엄격히 금하고 있다. 우라늄은 수천 년 전부터 색유리라든가 도자기의 유약으로 사용되어 왔다. 퍼치블렌드에 색다른 물질이 함유되어 있다는 것을 처음 발견한 때는 1789년이었으나, 우라늄들을 처음 순수 분리하여 천왕성의 이름을 따서 우라늄이라는 이름을 붙인 때는 1841년이었다. 우라늄에서 방사선이 방출된다는 것은 프랑스의 물리학자 앙리 베크렐이 1896년에 처음 발견했다. 방사성 원소가 처음으로 발견된 것이다. 천연에서 발견되는 우라늄은 은백색의 밀도 높은 금속인데, 공기와 만나면 곧 산소와 반응하여 검은색으로 변한다. 자연계에는 우라늄-238 이 99.28%, 우라늄이 0.72%, 그리고 우라늄이 0.03% 존재한다. 우라늄의 대부분을 차지하는 우라늄-238의 반감기는 약 45억 년이다. 반감기가 길다는 것은 핵이 보다 안정적인 동위원소라는 것을 의미한다. 반면에 우라늄의 반감기는 약 7억 년이고, 우라늄은 2.500만 년의 반감기를 가졌다. 이 3가지 우라늄 동위원소는 반감기가 길면서 방사능 방출도 약하다. 그러나 우라늄 핵이 붕괴되는 과정에 라돈과 폴로늄 등의 새로운 방사 성 동위원소를 만들게 되고, 최후에는 안정된 원소인 납으로 변한다. 1930년대 말에 독일의 과학자 리스 마이트너와 오토 한은 우라늄에 중성자를 충돌시키면 핵이 깨져 바를과 크립톤 같은 원소가 생겨난다는 사실을 발견했다. 이때 생겨나는 두 원소는 우라늄 원자 크기의 절반이다. 이처럼 핵이 쪼개지는 이유를 찾던 마이터너와 그녀의 조카이며 독 일 물리학자인 오토요.프리슈는 중성자가 우라늄 핵을 분열시키고, 이때 몇 개의 중성자가 다시 발생하여 다른 우라늄의 핵을 분열시키는 연쇄 반응이 나타남을 발견했다. 그들은 이런 현상이 우라늄에서 발생한다는 것을 곧 파악했다. 엔리코 페르미를 비롯한 과학자들은 이러한 핵분열 연쇄반응 속도를 적절히 조정하여, 연속적으로 막대한 에너지를 얻을 수 있는 핵분열 원 자로를 1944년 시카고대학에 만들었다. 핵분열 원자로의 연료가 되는 우라늄은 우라늄-238보다 조금 가볍다. 우라늄을 얻으려면 우라늄을 기체 상태로 만들어 확산이라는 특수한 방법으로 분리해야 한다. 우라늄-238에 중성자를 충돌시키면, 인공원소의 하나인 플루토늄-239로 변하는데, 이것은 우라늄처럼 핵분열을 하는 성질을 가지고 있다. 오늘날 과학자들은 우라늄-238을 플루토늄-239로 만들면서 핵분열을 계속하는 증식로를 개발하려 온갖 노력을 하고 있다. 플루토늄은 핵무기 제조에 쓸 수 있다. 원자력발전소에서 우라늄들을 연료로 사용하고 나면, 우라늄은 거의 소진되어 없고, 우라늄-238만 남는다. 이것은 포탄 등의 층격에 강한 군용 탱크의 외피 제조라든가, 세라믹의 발색 게, 방사선 차폐 등에 이용된다. 우라늄을 취급할 때는 인체에 해로운 방사선에 노출될 위험이 있으므로 안전 규정에 따라야 한다. 알석의 나이틀 조사할 때는 알석 속에 포함된 우라늄-238의 양과 납-206의 양을 비교하면, 반감기를 계산하여 나이틀 알 수 있다. 이 방법으로 조사했을 때, 지구 상에서 발견된 가장 오래된 암석의 나이는 45억 년이었다.

 

2. 플루토늄

플루토늄은 우라늄으로부터 만드는 가장 중요한 인공원소이다. 이 우라늄 원소는 캘리포니아 대학에 설치되어 있던 입자가속기를 이용하여 1941년에 미국의 화학자 글렌 시보그가 처음으로 인공 합성했다. 이때 그는 우라늄에 중수소의 원자핵을 충돌시켜 만들었다. 중수소의 원자핵은 중양성자라 부른다. 중양성자는 수소의 동위원소인 중수소의 핵으로, 중성자 1개와 양성자 1개를 가졌다. 플루토늄이라는 이를은 명왕성에서 따온 것이다. 플루토늄을 처음 합성하는 데 성공했던 당시, 미국은 독일 및 일본과 전쟁을 계속하고 있었기 때문에 플루토늄 발견 사실을 발표하지 않았다. 인공합성 원소에 대한 정보는 전쟁이 끝난 뒤 인 1946년에 공개했다. 플루토늄은 화학적으로 매우 활성이 강한 은색 금속이며, 공기와 접촉하면 산화반응을 일으켜 약간 노란색으로 변한다. 플루토늄은 강력한 방사선 에너지를 방출하기 때문에 취급 때는 각별히 조심해야 한다. 플루토늄은 15종의 동위원소가 있으며, 모두 방사성을 가졌다. 반 갈기가 24.400년인 플루토늄은 중성자를 쏘아주면 쉽게 핵분열을 하기 때문에 가장 중요하게 취급된다. 플루토늄은 우라늄처럼 2개의 원자로 분열하면서 큰 에너지를 내놓는 동시에, 중성자를 더 방출하여 핵분열이 연쇄적으로 일어난다. 플루토늄은 원자로에서 대량 생산할 수 있다. 현재 연구 중에 있는 '증식로'라 불리는 미래의 원자로는 핵분열이 어려운 우라늄을 플루토늄으로 바꾸어가면서 핵분열 반응을 계속하도록 설계하고 있다. 그래서 핵무기를 만드는 데는 플루토늄이 적당하다. 플루토늄-238은 반감기가 87년이고, 알파 입자만을 방출하며, 핵분열을 하지 않으므로 안전하다. 플루토늄에서 방출되는 알파 입자의 에너지를 열에너지로 바꾸면 전기를 생산할 수 있다. 달을 탐험한 아폴로계획 때는 이 원리에 따라 제조한 원자력 전지가 이용되었다. 그리고 이러한 원자력 전지는 인공심장을 박동시키는데 이용되고 있다.

 

3. 토륨

원자번호 92인 토륨은 방사성을 가진 은백색 금속이며, 공기와 접촉하면 매우 천천히 변색하여 몇 달이 지나면 검은색으로 된다. 순수한 토 륨은 부드럽고 잘 늘어날 수 있는 성질을 가졌다. 대표적인 토륨은 자연계에서 발견되며, 방사성이 매우 약하다. 이것의 반감기는 무려 140억 년이므로 거의 핵붕괴가 일어나지 않고 있다고 할 정도이다. 지구 상에는 토륨을 함유하고 있는 알석이 많으며 매장량은 우라늄의 약 4배이다. 토를은 지글 당장은 크게 중요시되지 않고 있지만, 장래에 는 매우 값진 핵연료가 될 것이다. 토률에 중성자를 층돌시키면 우라늄이라는 우라늄 동위원소로 변한다. 우라늄-233은 오늘날 핵연 르로 쓰는 우라늄과 와 마찬가지로 핵분열을 할 수 있다. 그러므로 토륨은 미래의 중요한 핵연료가 된다는 것이다. 일부 원자력 과학자는 우라늄을 연료로 사용하는 원자로를 연구하고 있다. 토륨에는 25가지 동위원소가 알려져 있으며, 그중에는 반감기가 수천만 분의 1초인 것도 있다. 토률-232가 붕괴되면 11가지 다른 원소로 변 하면서 최후에 납이 되는데, 이 과정을 토륨 붕괴계열이라 한다. 토률은 마그네슴과 화합시켜 수천도의 열에 견디는 내열재를 만드는데 쓰기도 하고, 전자기구에서는 전자를 효과적으로 방출하는 장치에 사용하기도 한다.

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