소개
양성자 92개, 중성자 146개를 가진 우라늄의 동위 원소들 중 하나로써 반감기는 44억 6800만년이다. 자연계에서의 존재비는 2.68ppm이며, 우라늄 동위 원소들 중 99.2796%로 우라늄 동위체들 중 가장 많이 존재하고 있다.
주로 알파 붕괴(100%)를 하여 토륨-224로 붕괴하지만, 극미량의 자발핵분열(알파 붕괴의 180만분의 1)도 하여 핵분열 생성물을 생성하며, 매우 극미량인 이중 베타 붕괴(알파 붕괴의 4600억분의 1)을 하여 플루토늄-238도 생성한다.
특징
열 중성자 핵분열 효율이 0.0016%, 고속 중성자 핵분열(자원 중성자)의 효율도 불과 0.3%에 불과하여 사실상 비 핵분열 동위체이다. 우라늄-235의 열 중성자의 흡수율이 우라늄-235에 비해 260분의 1에 불과하지만, 우라늄 농축도가 4.5%에 불과한 경수로의 핵연료에서는 우라늄-238이 다수가 포함되어 있으며, 중성자 흡수율이 낮지만 우라늄-238도 무거운 핵연료이므로 중성자를 흡수하려는 성질이 있다. 경수로에서는 우라늄-238의 다량이 중성자를 흡수하여 변환된 플루토늄-239에서의 전력 생산 발전 기여도가 28%나 된다.
중수로에서는 냉각제인 중수의 열중성자 흡수율이 경수보다 낮고, 핵분열로 인해 막 튀어 나온 고속 중성자의 감속 능력도 뛰어나므로 천연 우라늄을 그대로 사용할 수 있다. 따라서 중수로에서는천연 우라늄에 포함된 0.7204%의 우라늄-235가 0.5%이하로 줄어들 때까지 연료를 태울 수 있다.
고속 중성자로(자원중성자)로에서의 우라늄-238의 중성자 흡수율은 열 중성자보다 5500배나 증가하게 된다. 따라서 핵분열성 동위체 이상급으로 많은 중성자를 흡수할 수 있다. 다만 원자로내에서의 중성자의 속도는 연료와 분열생성물의 밀도, 중성자 감속제 등에 따라 변화하므로 실제로 고속 중성자로 내에서의 우라늄-238의 중성자 흡수율은 열 중성자의 110배이다.
이 정도로도 핵분열성 동위체급 이상으로 많은 중성자를 흡수하므로, 고속 중성자는 우라늄 농축도가 50~80%에 이르러야 하지만 중성자 속도 조절을 통해서 우라늄 농축도를 20%대로 농축하고도 가동이 가능하다. 하지만 냉각제의 위험도, 가격, 부식, 고온의 안정성 등이 겹쳐서 아직 초기 연구 단계이며, 다른 고속 냉각로인 헬륨 고온 가스 냉각로를 목표로 하는 곳도 많지만 헬륨의 부족, 고온의 안정성 등으로 인해 아직 초기 연구 단계에 불과하다.
자연계에서의 우라늄-238과 자연 방사능
자연계에서는 지구 지각의 질량비의 2.68ppm의 양으로 우라늄-238이 존재하며, 19.5ppb는 우라늄-235이다. 또한 극 소량의 우라늄-234가 존재한다.
우라늄-238은 풍부하게 존재하므로, 비교적 자연계의 풍부함의 기준으로 따지는 주석보다 더 풍부하게 존재한다. 우라늄-238의 붕괴 생성물로 인해 우라늄-234와 토륨-230, 라듐-226이 토양에 미량 함유되어 있다.
라돈-222도 우라늄-238의 붕괴 생성물인데 우라늄이 많이 존재되어 있는 지역의 동굴이나 지하 동굴, 지하소에는 라돈-222가 상당히 많이 뿜어져 나온다. 일반적인 토양에서도 라돈-222가 많이 뿜어져 나와, 자연계에 영향을 주는데, 지구상의 연간 방사선 피폭량이 2.4mSv이며, 이중 라돈은 1.03mSv로 상당량을 차지한다. 특히 우라늄이 많이 존재하는 지역의 지하 동굴과 지하소에는 라돈으로 인한 방사선 피폭량이 연간 100~300mSv인 곳도 있으며, 극히 드문 곳은 라돈과 우라늄 입자, 먼지 등 모든 요소를 다 합쳐서 연간 500msV~6Sv에 해당하는 지역도 있다.
라돈은 알파 붕괴를 4번 하여 최종적으로 납-206으로 붕괴된다. 다만 반감기가 22.3년인 납-210이 붕괴 사슬에 포함되어 있어 실제로 자연계에서 라돈이 미치는 방사성 붕괴는 3번의 알파 붕괴와 사이사이 포함된 베타와 감마 붕괴이다.
우라늄 광석이 많이 농축된 지역에서의 우라늄-238의 자발 핵분열로 인해 광석 내부에는 플루토늄-239도 발견된다. 다만 극미량만 생성되기 때문에 자연계에 전혀 영향을 주지 않는다.
과거에 44억년전에는 우라늄-235가 우라늄 광석에 20% 이상 농축되어 있어 광석 자체로도 농축 우라늄이었다. 다만 우라늄-238의 반감기가 길기 때문에, 우라늄-235는 대부분 붕괴해 현재와 같은 상태로 되었다.
미래의 우라늄 광석에는 결국엔 우라늄-235는 다 사라지고, 우라늄-238만이 남아 100%의 존재비로 존재하게 된다.
우라늄-238의 지구 내부열의 기여도
지구 내부열에는 지구 자체의 질량으로 인해 생성된 압축열이 232억Kw/h이며, 방사성 동위 원소로 인해 생성된 열이 210억kW/h가 생성된다. 즉 지구 자체의 질량으로 인해 압축으로 스스로 생성된 열이 지구 내부열의 52.5%를 차지하지만 나머지 47.5%는 방사성 동위 원소인 토륨, 우라늄, 루비듐-87 등의 붕괴로 인해 생성된다.
우라늄-238은 시간당 89.4억kW로 방사성 동위 원소들 중 지구 내부열의 기여도는 가장 많다. 두번째의 기여도는 토륨-232로 시간당 84.2억kW의 기여도를 나타낸다.
토륨-232가 우라늄-238보다 양은 훨씬 많지만, 반감기도 길고, 붕괴할때 뿜어내는 에너지가 우라늄-238이 뿜어내는 에너지의 80%밖에 되지 않기 때문에, 우라늄-238이 방사성 동위 원소들 중 지구 내부열의 기여도가 가장 크게 된다.
미래에는 우라늄-238이 어느 정도 줄게 되면, 비교적 반감기가 긴 토륨-232가 좀 더 많이 남아 있으므로 8억년 후가 되면 토륨-232가 우라늄-238보다 더 많이 지구 내부열에 기여를 하게 될 것이다.