우라늄

우라늄
번호	92

우라늄은 화학 원소로 원소 기호는 U, 원자 번호는 92인 은회색의 방사성 금속 원소로, 자연상태로 발견되는 원소 중에서는 가장 무거운 원소이다.

자연계에는 질량비로 평균 2.7ppm의 농도로 토양에 존재하지만, 우라늄 광산에서 경제성 있는 광석으로는 500ppm~ 200,000ppm까지 존재하는 경우도 있다. 우라늄에서 핵분열을 발견하게 되어 세계 최초의 원자로와 핵무기가 개발되었으며, 현재 모든 대형 상업용 원자력 발전소에서는 전기 에너지를 얻는 에너지원으로 우라늄을 쓰고 있다. 또한 지금은 안 쓰지만 형광 유리에도 어느 정도 사용이 되었었다.

용도

가장 많은 사용처는 핵분열 발전소. 그 외에도 합금이나 착색제 등의 용도로도 사용된다.

원자력 발전을 제외하고 대중에게 가장 널리 알려진 우라늄의 사용 방법은 열화우라늄탄이다.

동위원소

우라늄은 217U부터 242U까지 합성되었다.

우라늄-232

우라늄-232는 실험용 원자로에서 토륨이 중성자를 먹게 되면 그 중 200ppm이 형성된다. 강한 감마선을 내뿜으며 반감기도 68.9년이나 되기 때문에 핵 페기물로 분류되고 있어 극히 위험하다.

우라늄-233

우라늄-233은 토륨이 중성자를 하나 먹으면 형성되는데 대략 75%의 비율로 생성된다. 나머지 25%는 우라늄-234로 변환된다. 이유는 프로악티늄-233의 반감기가 27일로 길기 때문이다. 임계질량은 20kg이며, 반사제를 이용하면 8kg까지 줄어들어 훌륭한 핵무기의 재료이자 핵발전의 연료이다. 반감기는 15만 9200년이다.

우라늄-234

우라늄-234는 자연계에 0.0054% 존재하며 반감기는 24만 5500년이다. 토륨 원자로에서는 프로악티늄의 25~27%의 비율이 우라늄-234로 변환되며 이 동위체는 핵분열을 못하므로 토륨 원전에서 중성자가 부족해지게 되는 원인이다. 하지만 가속기로 중성자를 공급한다는 것은 SF에 가깝고 경제성이 마이너스가 되어 오히려 손해가 막심해진다. 따라서 토륨 원전은 경제성이 없으므로 토륨에 우라늄-235이나 플루토늄-239를 섞어 발전하는 연구를 하고 있다.

우라늄-235

이와 관련한 내용은 우라늄-235에서 볼 수 있습니다.

우라늄-235는 0.7204%의 비율로 자연계에 존재하며 반감기는 7억 380만년이다. 핵분열 효율이 열 중성자로에서는 78~82%, 고속중성자(자원중성자로)로에서는 66~67%에 이르므로 훌륭한 핵연료이다. 임계질량도 54kg이며 중성자 반사제를 이용할 경우 최소 10kg까지 줄일 수 있으나 보통 경제성 있는 핵무기로는 20kg으로 맞추고 있다. 반감기가 태양계의 연대와 비교시 매우 짧아 자연계에 아쉽게 0.7%밖에 존재하지 않지만 44억년전 지구 초창기 시절에는 천연 동위체에 20%나 존재했었다.

우라늄-236

우라늄-236은 반감기가 2342만년이며, 이미 40억년전에 지구상에서 완전히 사라졌지만, 우라늄-235의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자 활동으로 인해 새로 형성된 우라늄-236은 현재 자연계에서 발견되고 있다. 워낙 극미량이라 우라늄 동위 원소들 중 1조 3000억분의 1의 비율이지만 우라늄-235가 중성자를 하나 먹으면 생성되기 때문에 의미는 있다. 원자로에서도 대량 생산되는데 핵분열을 못해 핵폐기물로 분류된다. 그 다음 동위체인 우라늄-237도 핵분열 효율이 극히 낮으며, 넵투늄-237도 핵분열을 못한다. 또 다음 동위체인 238도 핵분열 효율이 극히 낮으므로 핵분열을 못한다고 볼 수 있기 때문에 우라늄-236은 핵폐기물로 분류되지만 중성자를 2개 흡수하면 원자력 전지의 연료인 플루토늄-238을 형성할 수 있기 때문에 우라늄-236의 일부는 플루토늄-238을 제조하는데 쓰인다.

우라늄-238

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천연 동위 원소로 자연계에 가장 많이 존재하는데 반감기가 44억 6800만년이나 되기 때문이다. 태양계의 역사보다 1억 400만년 짧은 반감기를 가지고 있기 때문에 태초의 우라늄-238의 양과 비교하면 아직도 49%나 남아 있다. 우라늄-238은 우라늄 동위체의 99.28%나 존재하며 핵연료의 희석제로 쓰인다. 고속중성자(자원중성자)를 이용하면 많은 비율을 플루토늄-239로 바꿀 수 있기 때문에 기대되는 동위체이다. 열중성자로에서도 많은 양의 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 대량의 플루토늄-239를 형성하고 실제로 원자로의 에너지의 26%는 플루토늄-239의 핵분열로 생성된다.

화학

우라늄은 산화물, 플루오린화물등을 만든다. 우라늄 원자 두개가 결합한 분자는 화학결합중 유일하게 피 결합 (결합 축을 중심으로 방사형 마디가 6개인 결합)을 하는 분자이다.