토륨 원소의 성질과 이용

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토륨(소리엄 Thorium, Th) 원소의 성질과 이용

 

 

󰋯  원자번호：90

󰋯  족：3족(7주기), 전이원소(악티늄족)

󰋯  원자량：232.0381

󰋯  밀도：11.7 g/cm-3

󰋯  각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 18, 32, 18, 10, 2

󰋯  mp：1,842℃ / 󰋯bp：4,788℃

  

은백색의 방사성 금속인 토륨은 공기 중에서 산소와 결합하여 아주 느리게(몇 개월 걸려) 검은색 산화물로 변한다. 토륨의 산화물은 녹는 온도가 가장 높은(약 3,300℃) 물질 종류에 속한다.순수한 토륨(소리엄)은 매우 무르고 연성이 좋다.

 

토륨은 스웨덴의 화학자 베르셀리우스(Jons Jakob Berzelius 1779-1848)가 1828년에 발견했다. 그는 새 원소의 이름을 고대 스칸디나비아의 ‘천둥의 신’ 이름 (Thor) 을 따서 토륨이라 했다. 토륨을 발견했던 당시에는 방사성에 대한 지식이 없었으므로 토륨이 방사성원소임을 아무도 알지 못했다. 방사성원소를 알게 된 것은 프랑스의 물리학자 베크렐(Henri Becquerel 1852-1908)과 퀴리가 방사선을 발견한 1897년 이후이다.

 

자연계에 존재하는 토륨-232(Th-232)는 알파 입자를 방출하는 방사성 동위원소이지만 반감기가 무려 140.5억년이다. 그러므로 사진 필름으로 몇 시간 싸두어도 감광이 안 될 정도로 방사능이 약하다.

 

 

토륨은 납(Pb)이 포함된 광석에서 발견되며, 지각 중에 우라늄보다 3-4배 풍부하게 존재한다. ‘모나자이트 샌드’(monazite sand)에는 약 10%의 토륨이 포함되어 있다.

 

토륨은 미래의 원자력 에너지 연료로 매우 중요한 원소이다. Th-232에 중성자를 충격하면, 몇 과정을 거쳐 U-233으로 변한다. U-233은 U-235와 마찬가지로 핵붕괴가 일어나므로 원자로의 연료로 사용할 수 있다. 오늘날 U-238과 Th-232를 연료로 쓰는 실험용 원자로(고속증식로)가 우리나라를 비롯한 몇 나라에서 연구되고 있다.

 

그런데 토륨은 우라늄과 달리 자체적으로 핵분열을 일으키지 않기 때문에 원자로의 스위치를 끄면 자동으로 핵분열이 멈춘다. 따라서 우라늄을 연료로 사용하는 원자로와 달리 냉각장치에 이상이 생기더라도 위험이 적다. ‘토륨 원자로’의 개발에 성공하면, 토륨은 미래의 귀중한 에너지 자원이 될 것이다.

 

토륨의 방사성 동위원소는 27종 알려져 있다. 그들 중에는 반감기가 수천만 분의 1초인 것에서부터 140.5억년인 것까지 있다. Th-232가 붕괴되어 최종적으로 납(Pb-208)이 되기까지 그 사이에 11종의 원소가 생성된다. 이 과정을 ‘토륨 붕괴 과정’(thorium decay series)이라 한다(원자번호 86 라돈 편의 그림 참조).

 

토륨은 핵연료 외에 상업적 용도도 몇 가지 알려져 있다. 토륨과 마그네슘의 합금(‘Mag-Thor’라 불림)은 열에 강한 견고한 금속이어서 비행기 엔진 제조에 쓰이며, 전자기기에서는 전자를 잘 방출하는 전극으로 이용한다. 이산화토륨을 태우면 매우 밝은 빛이 발생하므로 휴대용 조명등에 이용되기도 했다.

 

 

 

악티늄 원소의 성질과 이용