우라늄 원소의 성질과 이용

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우라늄(유레니엄 Uranium, U) 원소의 성질과 이용

 

󰋯  원자번호：92

󰋯  족：3족(7주기), 전이원소(악티늄족)

󰋯  원자량：238.0298

󰋯  밀도：19.1 g/cm-3

󰋯  각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 18, 32, 21, 9, 2

󰋯  mp：1,132.2℃ / 󰋯  bp：4,131℃

 

우라늄(유레니엄)이라 하면 원자로와 원자폭탄을 먼저 생각한다. 우라늄은 자연계에 존재하는 마지막 원소이면서 가장 무겁다. 자연계 원소로서 플루토늄이 가장 무겁지만, 플루토늄은 주로 인공적으로 만들기 때문에 인공원소로 분류한다.

 

우라늄은 피치블렌드, 우라나이트, 엘로케이크(산화우라늄이 75%), 모나자이트 샌드 등의 광석에 포함되어 있다. 오늘날 우라늄광을 채굴한다든가 가공하는 일은 원자력관리법에 따라 엄격하게 제한받는다. 그러나 우라늄의 화합물은 수천 년 전부터 유리라든가 도자기의 색을 내는데 이용되어 왔다.

 

독일의 화학자 클라프로스(Martin Klaproth 1743-1817)는 피치블렌드에 미지의 원소가 들어있음을 1789년에 알았으나, 그것이 우라늄이라는 것은 프랑스의 화학자 펠리고(Eugene Melchir Peligot)가 1841년에 처음 밝혀냈다. 그는 새 원소를 천왕성(Uranus)의 이름을 따서 우라늄이라 명명했다. 그리고 1896년, 프랑스의 화학자 베크렐(Henri Becquerel 1852-1908)은 우라늄이 방사성물질이라는 사실을 처음 밝혔다. 그때 우라늄은 최초로 알려진 방사성물질이었다.

 

천연의 우라늄은 은백색 금속이며, 공기 중의 산소와 만나면 검은 산화물로 변한다. 우라늄은 U-233(중성자 141개)부터 U-238(중성자 146개)까지 6종의 동위원소가 있다. 이 중에 자연계에 존재하는 우라늄으로는 U-238이 전체의 99.2742%를 차지하고, U-235는 약 0.7204%, 그리고 U-234가 0.0054% 존재한다. 이 중에서 반감기가 가장 긴 것은 U-238의 46억년이다. 이는 지구의 나이와 비슷하다.

 

반감기가 길다는 것은 활성이 적고 핵붕괴가 잘 일어나지 않는다는 것을 의미한다. 한편 U-235의 반감기는 약 7억년이고, U-243은 훨씬 짧은 2,500만 년이다. 이 세 가지 우라늄 동위원소는 모두 반감기가 길기 때문에 방사능이 매우 약하다. 그러나 우라늄의 핵은 느리게 붕괴되어 방사성이 강한 라돈, 폴로늄 등의 원소로 변했다가 최후에 안정한 납으로 된다.

 

 

 

우라늄-235에 중성자를 충격하면 U-236으로 되었다가 둘로 깨어져 Kr-92와 Ba-141로 나뉜다(오른쪽 그림). 이때 막대한 에너지가 방출되는 동시에 중성자도 3개 튀어나와 주변의 다른 U-235 원자를 연속하여 깨뜨리게 된다(왼쪽 그림). 이를 ‘핵분열 연쇄반응’(nuclear chain reaction)이라 한다.

 

 

우라늄의 핵분열 성질 원자탄으로

 

1930년대에 독일의 과학자 마이트너(Lise Meitner 1878-1968)와 한(Otto Hahn 1879-1968)은 우라늄에 중성자를 충돌시키면 둘로 쪼개져 바륨과 크립톤으로 되는 것을 발견했다. 우라늄 붕괴로 생겨난 두 원소는 원자무게가 우라늄의 절반에 가까웠다.

 

마이트너는 이 문제를 조카인 독일 과학자 프리쉬(Otto R. Frisch 1904-1979)와 연구하여, 중성자의 충격은 우라늄-235의 핵을 분열(fission)시키고, 이때 막대한 에너지와 함께 더 많은 중성자가 나오게 되며, 새 중성자는 주변에 있는 다른 U-235 원자를 연쇄적으로 붕괴시킬 수 있다는 사실을 알게 되었다. 이러한 현상은 가공할 힘을 가진 핵폭탄을 만들 수 있게 하는 것이었다.

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이 시기에 제2차 세계대전이 일어났고, 유럽의 많은 과학자들은 히틀러 정권을 피해 미국으로 망명했다. 이탈리아를 탈출하여 미국에 온 페르미(Enrico Fermi 1901-1954)는 시카고대학에서 최초의 원자로를 설계하여 1941년에 인공적인 우라늄 핵붕괴 실험에 성공했다. 이어서 미국은 원자폭탄 개발계획인 ‘맨해튼 계획’을 비밀리 진행하여 독일에 앞서 원자폭탄을 만들게 되었다.

 

오늘날 원자력발전소에서 사용하는 핵연료는 존재량이 많지 않은 U-235이다. 그런데 천연 우라늄이 대부분을 차지하는 U-238이 중성자를 흡수하면 플루토늄-239(Pu-239)로 변할 수 있고, Pu-239는 마치 U-235처럼 연쇄반응을 일으킬 수 있다. 그러므로 99.3%를 차지하는 U-238을 핵연료로 사용할 수 있다면 인류는 핵연료 걱정을 하지 않아도 될 것이다.

 

하지만 U-238을 연료로 할 수 있는 원자로의 개발은 간단치 않아, 오늘날 전 세계의 원자력국가들이 힘을 합쳐 연구하고 있다. 그것이 ‘꿈의 원자로’, 또는 ‘제4세대 원자로‘라고 불리는 ‘고속증식로 ’(breeder reactor)이다. 오늘의 인류는 원자력을 이용하지 않고는 충분한 전력을 생산하기 어렵다. 수력, 풍력, 조력, 태양에너지 등은 시설비에 비해 비경제적이다.

 

어떤 암석에 포함된 우라늄-238과 납-206의 양을 비교할 수 있다면, 그 암석의 연대를 측정할 수 있다. 이 방법으로 조사된 암석 중에서 지구상에서 가장 오랜 것은 45억년 된 것이다. 오늘날 우라늄의 최대 생산국은 캐나다와 오스트레일리아이다.

 

 

 

프로탁티늄 원소의 성질과 이용