우라늄

우라늄(←)은 화학 원소로 원소 기호는 U(←)이다. 원자 번호는 92인 은회색의 방사성 금속 원소이다. 모든 대형 상업용 원자력 발전소에서는 전기 에너지를 얻는 에너지원으로 우라늄을 쓰고 있다. 1그램의 우라늄에서는 석탄 3톤, 석유 9드럼에서 나오는 것과 같은 에너지를 얻을 수 있다. 또한, 우라늄은 일부 핵무기에 쓰여 엄청난 폭발력을 나타낸다.
우라늄의 성질.
우라늄은 자연에서 발견되는 원소 중에서 원자 번호가 가장 크다. 실제로 우라늄보다 원자 번호가 큰 넵투늄과 플루토늄도 자연에서 존재하지만, 이 둘은 워낙 드물게 나온다. 그래서 넵투늄과 플루토늄을 인공원소로 분류하므로, 우라늄이 가장 원자 번호가 크다. 우라늄의 원자량은 238.029u, 원자번호는 92, 악티늄족이다. 밀도는 20도에서 19.05g/cm3이며, 녹는점과 끓는점은 각각 1405K, 4404K이다.
반감기는 약 45억년으로, 상온에서 얻는 금속은 알파우라늄이며, 935.15K에서는 베타우라늄, 1045.15K에서는 감마우라늄이 된다. 알파우라늄은 사방정계며, 결정의 세 축방향에 따라 팽창률이 다르다. 그러므로 원자로 연료로 금속우라늄을 사용하면 연료막대가 변형하는 일이 생긴다.
공기 중에서 가열하면 발화해서 산화우라늄(U3O8)이 된다. 할로젠, 황, 질소와도 직접 반응한다. 묽은 산에는 녹아 수소를 발생하며 4가(4+) 우라늄염으로 바뀌며, 질산에도 녹아 질산우라늄을 만든다. 알칼리 금속과는 반응하지 않으며 이온화 경향은 망가니즈와 아연의 중간이다. 화합물의 주원자가는 2+, 3+, 4+, 5+, 6+인데 4+가 가장 안정하고 6+가 그 다음이다. 우라늄 이온은 U2+, U3+ 등이 있다.
바닥상태에서의 우라늄의 전자배치는 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s25f3 6d1이다.
우라늄을 농축시키는 데 육플루오린화우라늄을 많이 사용하는데, 화학적 반응은 이렇다.
UO2 + 4HF + 열 (500 °C) → UF4 + 2H2O
UF4 + F2 + 열 (350 °C) → UF6
동위 원소.
자연에서 발견되는 우라늄 원자 중에서 가장 풍부한 우라늄 원자는 우라늄-238이며, 99.2742%를 차지한다. 그 다음이 원자력 발전소의 원료와 핵폭탄 제조에 많이 쓰이는 우라늄-235이며 0.7024%를 차지한다. 우라늄-235는 유일하게 핵분열을 할 수 있으며, 천연에서 매우 적은 비율을 차지하기 때문에 정련하여 옐로케이크라는 우라늄-235가 많은 농축우라늄을 만들어 낸다.
그리고 가장 적은 비율을 차지하는 우라늄-234 원자는 0.0054%를 차지한다. 우라늄의 반감기는 매우 길고 안정적이다. 반감기는 우라늄-238의 경우 44억 6800만 년, 우라늄-235의 경우 7억 380만 년, 우라늄-234의 경우 24만 5000년이 걸린다. 그 밖에 인공적으로 만든 동위원소를 포함하면 질량수 217로부터 242까지 26종이 존재한다.
성질.
천연우라늄은 234U(존재 백분율 0.0054 %, 반감기 24만 8000년), 235U(존재백분율 0.7024 %, 반감기 7억 년), 238U(존재백분율 99.2742 %, 반감기 45억년) 등 3종의 동위원소로 이루어지며, 그 밖에 인공적으로 만든 동위원소를 포함하면 질량수 217로부터 242까지 26종이 존재한다. 235U는 악티늄족 계열 최초의 핵종으로 악티노 우라늄(AcU)이라고도 하며, 열중성자·고속중성자·양성자·i입자·중양성자·i선 등의 충격에 의해서 핵분열하는데, 열중성자에 의한 핵분열에서는 약 200MeV의 에너지를 방출하며 평균 2.5개의 중성자도 방출한다. 따라서 방출된 중성자가 다른 235U 원자를 분열시키도록 조건을 주면 연쇄반응을 일으켜 거대한 에너지를 방출한다.
원자폭탄.
또한 순수한 235U에서는 1g당 매초 약 3만분의 1개의 원자가 자발 핵분열을 일으키므로 일정량 이상 모이면 연쇄반응에 의해서 핵폭발이 일어난다. 이것을 이용한 것이 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 투하된 최초의 원자폭탄이었다. 238U은 우라늄계열의 최초의 핵종으로 우라늄I(UI)라고도 하며 중성자를 많이 흡수하므로 연쇄반응올 억제할 수 있지만 그 결과 239U로 되어 239Np를 거쳐 239Pu로 변한다. 이 239Pu는 중요한 핵연료로 사용된다. 따라서 천연 우라늄 중 235와 238을 분리할 필요가 있게 되어, 제2차 세계대전 중 미국의 원자폭탄 제조계획에 의해서 모든 방법들이 검토되었다.
결국 플루오린화물인 육플루오린화 우라늄 UF6를 이용하여 그 기체에서 확산 속도의 차에 의한 물리적 방법이 채용되었다. 즉, 기체로 변화시킨 경우의 235UF6와 238UF6에서는 분자 1개의 무게가 1 % 정도 다르므로 많은 구멍을 뚫은 벽에 혼합기체를 흐르게 하면 가벼운 것이 다소 빨리 흐르게 되고 이것을 수없이 반복시킴으로써 농축시킬 수 있다. 또 232Th를 원자로 내에서 235U의 열중성자류에 접촉시키면 232Th로부터 233Pa을 거쳐 233U이 얻어지는데 이것은 235U나 239Pu와 같은 연쇄반응을 일으키므로 원자로 연료로 중요하다.
용도.
우라늄 중에서 우라늄-235는 원자력 발전소의 전기 생산 원료로 쓴다. 경수로에 쓰이는 우라늄의 농도는 3~5% 정도이다. 이것은 우라늄 농도가 너무 높으면 핵분열이 활발해져 연쇄반응이 일어나서 원자로가 폭발하는 것을 방지하기 위해서이다. 그래서 원자력 발전소에서 쓰는 우라늄은 95.5%가 우라늄-238이고, 나머지 4.5%는 우라늄-235이다. 핵폭탄에 쓰는 우라늄은 99%가 우라늄-235이고 1%가 우라늄-238이다.
원자로와 우라늄 합금.
원자로연료로서 보통 천연 우라늄으로부터 우라늄-235를 분리하거나, 우라늄-238을 플루토늄-239로 변화시켜 사용하고 있으나, 천연 우라늄을 그대로 사용할 때도 있다. 특수한 목적에는 농축시킨 것을 사용하는 경우도 있다(농축 우라늄 사용). 이것은 기체확산분리 과정의 도중에서 뽑아냄으로써 적당한 농축도의 것을 얻을 수 있다. 원자로연료로 여러 가지 형태로 사용되고 있지만 균질로에서는 금속우라늄(때로는 합금 금속우라늄)을 적당히 성형한 것이, 불균질로에서는 황산염, 질산염의 용액이 사용된다. 그 밖에 여러 가지 내식성합금에도 소량 사용되고, 또 이우라늄산나트륨(우라늄황이라고도 한다)으로 유리, 도자기 등의 착색제로도 사용되고 있다.
인간으로의 노출.
인간은 오염된 물과 음식을 소화시킴으로써, 또는 공기 중의 먼지를 흡입함으로써 우라늄(또는 라돈 등 방사능에 의한 소산물))에 노출될 수 있다. 대기 중의 우라늄의 양은 일반적으로 매우 소량이다. 그러나 인산염 비료를 가공하는 공장에서 일하거나, 핵무기를 만들거나 실험하는 국가 기관 주변에 거주하거나, 열화된 우라늄 무기들을 사용하는 현대의 전쟁터 주변에서 일하거나 거주하거나, 우라늄광을 가공하는 공장인 석탄 화력 공장 주변에 살거나 일하는 사람들은 우라늄 노출도가 증가한다. 우라늄 광상 위의 집이나 구조물(천연 또는 인공 광재)들은 라돈 기체의 노출 가능성을 증가시킬 수 있다. 직업 안전 및 보건 법령(OSHA, Occupational Safety and Health Administration)은 8시간 업무일 기준 작업장에서의 우라늄 노출 허용치를 0.25 mg/m3로 설정하였다. 미국 국립 직업안전위생연구소(NIOSH)는 권고 노출 제한치(REL)를 8시간 업무일 기준 0.2 mg/m3로 설정하였으며 단기적 제한치는 0.6 mg/m3로 설정하였다. 10 mg/m3 수치에서 우라늄은 생명이나 건강에 즉시 위태하게 만들 수 있다.