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우라늄
우라늄(Uranium )은 화학 원소로 원소 기호는 U이다. 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.
우라늄은 자연에서 비교적 쉽게 발견되는 원소 중에서 원자번호가 가장 큰 원소다. 물론 우라늄보다 원자번호가 큰 원소인 넵투늄과 플루토늄이 있지만 이들은 자연에서 매우 적은 양이 존재한다. 게다가 이들은 주로 인공적인 핵반응으로 만들어 내기 때문에 인공원소로 분류된다. 우라늄은 1기압 상온에서 밀도가 큰 은색의 고체 금속으로 존재한다. 독성이 매우 크며 동위원소들은 모두 자연 방사선 원소이다. 우라늄은 바닷물에 1㎥당 약 3.3mg이 녹아 있고 지각에 0.00023% 농도로 들어 있다. 이는 은이나 주석보다 풍부한 양이다. 우라늄은 주로 섬우라늄광과 역청우라늄광(피치블렌드)으로 얻는다. 섬우라늄광에 들어있는 천연 우라늄 산화물은 고대 로마시대부터 노란색 도자기 유약과 채색 유리를 만드는 첨가물로 사용됐다.
개요
우라늄은 주기율표에서 악티늄족에 있는 은백색 금속이다. 우라늄은 모든 동위원소가 불안정하므로 약한 방사성을 띠는데, 대표적인 동위원소들의 반감기는 159,200년 - 45억 년으로 알려져 있다. 농축하여 원자력 발전이나 원자 폭탄 제조에 사용될 수 있다.
우라늄은 지구 껍질에 평균 약 2.3 ppm(0.00023%) 농도로 들어있으며, 은(Ag), 수은(Hg), 주석(Sn)보다 풍부한 원소이다. 주된 우라늄 광석은 섬우라늄광(uraninite: UO₂)과 이의 일종인 피치블렌드(pitchblende: 역청우라늄광, UO₃, U₂O₅)이다. 이외에도 우라늄을 포함하는 광물들로 인회우라늄광(autunite, Ca[UO₂(PO₄)]₂∙10~12 H₂O)과 카르노타이트(carnotite: K₂(UO₂)₂(VO₄)₂∙1~3 H₂O) 등이 있다.
우라늄 화합물인 천연산화우라늄은 고대 로마시대부터 도자기 유약에 노란색을 넣고 노란색 유리를 만드는데 사용되어왔으나, 현대에는 주로 원자력(핵) 발전과 핵 무기 제조에 사용된다. 천연 우라늄의 0.72%를 차지하는 우라늄-235(²³⁵U, 143개의 중성자가 있어 원자 질량이 235인 우라늄 동위원소)는 천연 동위원소들 중에서는 유일하게 핵분열될 수 있다. 그러나 우라늄을 원자력 발전이나 핵무기에 사용하기 위해서는 ²³⁵U의 비율을 높게 농축시켜야 한다. 천연 우라늄의 99.27%를 차지하는 우라늄-238(²³⁸U)은 그 자체가 핵분열되지는 않으나, 원자로에서의 핵 반응을 통해 플루토늄-239(²³⁹Pu)로 변환되며 ²³⁹Pu는 ²³⁵U와 마찬가지로 핵분열이 된다. 이 때문에 우라늄 원자로에서 나오는 폐연료를 재처리하여 ²³⁹Pu 을 얻고 이를 원자력 발전과 핵무기에 사용할 수 있다. 제2차 세계대전 때 일본 히로시마에 투하된 원자폭탄은 농축 우라늄을 사용한 것이고, 나가사키에 투하된 원자폭탄은 폐연료를 재처리하여 얻은 플루토늄을 사용한 것이다.
우라늄과 이에서 만들어지는 플루토늄은 원자폭탄을 만드는 것 외에도, 원자력 발전으로 전력을 공급하는데 사용된다. 원자력 발전은 세계 에너지 생산의 6%, 전력 생산의 13~14%를 차지하며, 우리나라의 경우 발전량의 40%를 차지한다. 이론적으로는, 1kg의 ²³⁵U는 석탄 3,000톤이 탈 때 내는 에너지와 같은 양의 에너지를 낼 수 있다. 그러나 최근 일본의 후쿠시마 원자력 발전소 사고에서 보듯이 원자력 발전소의 사고는 엄청난 재앙을 가져올 수 있으며, 발전 과정에서 나오는 방사성 폐기물의 처리와 보관도 어려운 실정이다. 또 몇몇 나라는 핵무기를 개발하고 확충하려는 의욕을 여전히 갖고 있어, 세계 평화의 심각한 저해 요소가 되고 있다.
발견과 역사
우라늄은 1789년에 독일 화학자 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth, 1743~1817)에 의해 피치블렌드(pitchblende)라는 광석에서 처음 발견되었다. 이 광석은 당시에는 아연(Zn), 철(Fe), 텅스텐(W) 산화물의 혼합물로 여겨지고 있었다. 클라프로트는 피치블렌드를 질산에 녹인 후 가성소다로 중화시켜 노란색 침전을 얻었는데, 그는 이 침전을 어떤 새로운 원소의 산화물로 생각하고는 숯과 함께 가열하여 검은색 가루를 얻었다. 그는 이 가루를 새로운 금속(실제는 우라늄 산화물임)으로 생각하고, 이보다 8년 전에 새롭게 발견된 행성인 천왕성(Uranus, uranus는 그리스 신화에서 하늘 신의 이름)의 이름을 따서 우라늄(uranium)이라 명명하였다. 1841년에 프랑스 화학자 페리고(Eugene-Melchior Peligot, 1811~1890)가 사염화우라늄(UCl4)을 포타슘(K)과 반응시켜 금속 우라늄을 처음으로 얻었다.
피치블렌드와 같은 섬우라늄 광석에 들어있는 천연 우라늄 산화물은 고대 로마시대부터 노란색 도자기 유약으로, 그리고 채색 유리를 만드는 첨가물로 사용되었다. 중세 후반에는 현재의 체코공화국 요하임스탈(Joachimsthal)에 있는 은 광산에서 채광된 피치블렌드가 유리 공장에 공급되었다. 1898년에 퀴리 부부에 의해 우라늄 광석에서 라듐(Ra)이 분리∙발견되고 라듐이 여러 용도로 활용되면서부터는 우라늄 광석은 주로 라듐을 얻는데 사용되었다.
1896년에 베크렐(Antoine Henri Becquerel, 1852~1908)은 우라늄에서 방사성 성질을 발견하였다. 1932년에 중성자가 발견된 이후, 여러 물리학자들이 중성자를 핵과 충돌시켜 핵반응을 유도하는 연구를 하였는데, 이중 한 사람이 이탈리아의 페르미(Enrico Fermi, 1901~1954)이다. 그는 1934년에 우라늄에 중성자를 때리면 베타선이 나오는 것을 관찰하였는데, 이를 원자번호가 93과 94인 새로운 원소가 생성된 것으로 잘못 판단하였다. 1938년에 독일의 오토 한(Otto Han, 1879~1968)과 프리츠 슈트라스만(Fritz Strassmann, 1902~1980)은 235U에 중성자를 때리면 바륨(Ba, 원자번호 56)의 동위원소가 생기고 많은 양의 에너지가 나오는 핵분열 현상을 발견하였다. 원자력 발전과 원자 폭탄의 바탕이 되는 핵 연쇄반응(한 핵이 분열할 때 나오는 중성자가 다른 핵을 다시 분열시키는 핵반응)의 아이디어는 1933년에 헝가리 태생의 유대인 실라르드(Leo Szilard, 1898~1964)가 처음 내놓았는데, 이후 1939년에 실라르드와 페르미가 중성자 충돌에 의해 우라늄 원자핵 1개가 분열할 때마다 매회 평균 2.5개의 중성자가 나온다는 사실을 발견하면서 그 가능성이 확실해졌다. 1942년에는 우라늄의 연쇄 핵반응을 일으키는 최초의 원자로가 미국 시카고 대학에 설치되었다.
이 즈음에 독일은 히틀러가 집권하여 유대인을 박해하였고, 많은 유대인 핵물리학자들이 외국으로 망명하였다. 1939년 9월에 독일의 폴란드 침공으로 제2차 세계대전이 발발하자, 연합국이 독일보다 먼저 핵 무기를 개발하여야 한다고 믿고는, 망명 유대인 과학자들이 주축이 되어 1939년 12월에 미국의 루즈벨트 대통령에게 원자폭탄 개발연구 프로그램을 시행할 것을 청원하였다. 원자폭탄 개발 사업인 맨해튼 계획(Manhattan Project)이 본격적으로 출범한 것은 일본의 진주만 공격 다음해인 1942년이다. 이 사업은 최초의 국가 주도 초대형 연구∙개발 사업으로, 이에 의해 제조된 원자폭탄은 1945년 8월 6일에 일본의 히로시마에, 그리고 8월9일에 일본의 나가사키에 투하되어 제2차 세계대전의 종식을 가져온 반면 수십만 명이 사망하고 많은 사람들이 피해를 입어 평생 동안 고통에 시달려야 했다. 히로시마에 투하된 폭탄은 ‘꼬마 소년(Little Boy)’이라는 암호명의 우라늄 폭탄이었고, 나가사키에 투하된 폭탄은 ‘뚱보(Fat Man)’라는 암호명의 플루토늄 폭탄이었다.
전쟁 종료 후 미국과 구소련을 비롯한 여러 나라는 핵 무기 개발 및 확충 경쟁을 하는 한편, 원자력의 평화적 이용에도 노력한 결과 1951년에 최초의 원자력 발전이 미국에서 선보였다. 상업용 원자력 발전은 1954년에 구소련에서 시작되었고, 영국에서는 1956년에, 미국에서는 1958년에 시작되었다. 우리나라에서는 1978년 4월에 고리원전 1호기가 첫 원자력 발전을 시작하였다.
참고자료
같이 보기
