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플루토늄
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플루토늄(Plutonium)은 희귀한 초우라늄 방사성 동위원소로 원자번호 94, 기호는 Pu이다. 원자로내서 우라늄 농축연료를 분열시키거나 ²³⁸U에 중성자를 조사하여 플루토늄을 만들며, 반감기는 24,000년이다. 특히 ²³⁹Pu은 고속증식로의 연료로 사용되며, 또한 원자폭탄 제조에 사용된다. 동위원소인 ²³⁸Pu는 원자력 전지에 사용된다. 플루토늄은 독성이 강해 취급에 상당한 주의를 요한다. 최근에는 원자로 내에서 스스로 증식하는 특성을 이용하여 플루토늄을 주 연료로 하는 고속증식로를 전략원자로로 개발하고 있다.
목차
개요
방사성 원소로서 악티늄 계열에 속하는 플루토늄은 은회색 금속으로 공기 중에서 산화되면 변색되어 칙칙한 색의 막을 형성한다. 6개의 동소체가 존재하며, 4가지의 산화 상태를 가질 수 있다. 탄소, 할로젠 원소, 질소, 규소, 수소 등과 반응하며, 습한 공기에 노출되면 부피가 70 %까지 더 증가된 산화물과 수화물을 형성하고, 이들이 가루로 벗겨지면 자연 발화한다.
플루토늄은 1940년에 최초로 입자가속기(cyclotron)에서 우라늄-238에 중양자(deuteron, 중수소 원자의 핵)를 충돌시켜 얻었는데, 먼저 생성된 넵투늄-238(반감기 2.1일)은 베타-붕괴를 거쳐 플루토늄(반감기 87.7년)이 형성된다. 우라늄과 넵투늄이 각각 천왕성(Uranos)과 해왕성(Neptune)의 이름으로부터 유래하였듯이, 플루토늄도 예전에 태양계의 행성으로 여겨졌던 명왕성(Pluto)의 이름을 따서 명명되었다.
2차 세계 대전 중 맨하탄 프로젝트(Manhattan project)의 중점 과제로 플루토늄의 대량 생산이 처음으로 이루어졌고 이를 이용하여 1945년 8월 9일 일본 나가사키에 투하된 최초의 원자 폭탄이 개발되었다.
플루토늄은 뼈에 축적될 수 있는 위험한 방사성 금속이므로 취급에 매우 유의하여야 하며, 원자력 발전소 그리고 핵폭탄 분해 시 발생되는 플루토늄 폐기물은 환경의 재앙적 위험이 되고 있다.
역사
발견과 명명
1934년 이탈리아의 로마 대학에서 페르미(E. Fermi)의 연구팀이 원자번호 94번에 해당되는 새로운 원소를 발견했다고 발표하였고 이를 이탈리아의 또 다른 이름인 'Hesperia'에서 따와 헤스페륨(Hesperium)으로 명명하여 1938년의 노벨 강연에서 언급하였다. 그러나 사실은 이것이 바륨과 크립톤을 비롯한 여러 원소의 혼합물이었다.
1940년 시보그(G. T. Seaborg)가 이끄는 염구팀이 버클리 방사선 연구소(Berkeley Radiation Laboratory)에서 플루토늄-238을 최초로 생산 및 분리하였고 이듬 해 화학적으로 확인하였다. 1940년 입자가속기 실험에서 우라늄-238에 중양자를 충돌시켜 얻어진 넵투늄-238이 2.1일의 반감기를 지나 베타-붕괴하여 원자번호 94의 새로운 원소로 변환되는 것을 발견하였다.
원래 이에 관한 논문을 1941년 논문(Physical Review)으로 투고하였으나, 보안상의 이유로 실제 발간은 2차 세계 대전 이후로 미뤄졌다. 영국 캠브리지(Cambridge)의 캐번디쉬 연구소(Cavendish Laboratory)에서도 우라늄 중성자 반응기에서 이론적으로 플루토늄-239가 부산물로 생성될 수 있다는 것을 알아내었다.
시보그 연구팀의 맥밀란(E. McMillan)이 첫 번째 초우라늄 원소 넵투늄(Neptunium)을 해왕성의 이름을 따서 명명하였고 이어서 94번 원소를 다음 행성이었던 명왕성으로부터 유래한 플루토늄으로 이름지었다. 또한, 캠브리지 연구팀의 케머(N. Kemmer)도 독립적으로 버클리 연구팀과 같은 이유로 똑같은 이름을 제안하였다.
초기 연구
미국 시카고 대학에서 초기 연구가 비밀리에 수행되었는데, 우라늄과 섞은 플루토늄-239에서 핵분열 생성물이 생산되면서 미량의 분리된 플루토늄은 우리늄과 유사한 화학적 성질을 나타냄을 알아내었다. 플루토늄-239는 중성자와 부딪쳐 더 많은 중성자와 에너지를 발생시키며, 이들 중성자가 다른 플루토늄-239 원자와 충돌하면 엄청나게 빠른 연쇄 반응이 일어나게 된다. 결과적으로 이 플루토늄 동위원소의 양을 임계 질량(핵분열 물질이 핵 연쇄 반응의 과정에서 스스로 폭발할 수 있는 최소한의 질량)까지 농축하면 한 도시를 파괴할 수도 있는 폭발이 일어나게 되는 것이다.
맨하탄 프로젝트
2차 세계대전 동안 미국 정부는 맨해튼 프로젝트를 계획하고 원자폭탄을 개발하였다. 이때 수행한 세 가지 주요 연구는 플루토늄 생산, 우라늄 농축, 핵무기의 연구 개발이었다. 1944년에 반응기로부터 생산된 플루토늄을 최초로 얻어 고농도의 플루토늄-240 동위원소를 생산하였는데, 이는 중성자 수위를 올려 더 빠른 핵분열 속도를 가진다. 이후 40여 년간 원자폭탄 연구와 원자력발전을 위해 미국과 러시아의 플루토늄 생산 공장에서 2억 퀴리에 해당하는 방사성 동위원소가 방출되었는데, 이는 러시아의 체르노빌에서 발생한 원전 재앙의 두 배에 해당하는 양으로써 오염과 사고에 대한 여러 기밀이 숨겨져 있는 것으로 논란이 되고 있다.
물리 화학적 성질
물리적 성질
플루토늄은 니켈처럼 밝은 은색을 띤 금속으로, 빠르게 산화하여 녹황색이 가미된 탁한 회색을 띠게 된다. 상온에서 플루토늄은 동소체 중에서 가장 흔한 구조인 알파 형태로 존재한다. 다른 금속들과는 다르게 열이나 전기 전도성이 좋지 않다. 640 °C의 낮은 녹는점을 갖지만 끓는점은 3228 °C로 매우 높은 편이다. 녹는점 근처에서 액체 플루토늄은 점도와 표면 장력이 매우 높으며, 특이하게도 플루토늄은 녹으면서 밀도가 2.5 % 정도 증가하는데 액체 금속이 된 후 온도가 올라가면 다시 밀도가 감소한다.
동소체
플루토늄은 일반적으로 6가지 동소체를 가지며, 고온에서는 특정 압력에서 제타(ζ) 동소체로도 존재한다. 이들 동소체는 매우 유사한 내부 에너지를 갖는 반면 밀도와 결정 구조는 매우 다양하다. 이 때문에 플루토늄은 온도, 압력, 화학 반응 등에 매우 민감하여 상전이를 통해 다른 동소체로 변하여 급격한 부피 변화를 겪는다. 동소체의 밀도는 16.00~19.83 g/cm³으로 다양하다.
핵분열
플루토늄은 악티늄 계열의 방사성 금속으로 플루토늄-239는 우리늄-233/-235와 함께 주요 핵분열 동위원소에 속한다. 핵분열을 하기 위해선 동위원소의 원자핵이 중성자의 느린 움직임에 잘 분열하여야 하며, 분열할 때 핵 연쇄 반응을 유지할 수 있도록 충분한 중성자를 더 방출해야 한다. 플루토늄-239가 엄청난 에너지를 가지고 분열하여 핵무기나 원자로의 원료로 유용하며, 플루토늄-240도 핵분열 속도가 상대적으로 빨라 같은 용도의 원료로 사용될 수 있다.
동위원소와 핵 합성
20가지의 방사성 플루토늄 동위원소가 확인되었는데, 반감기가 가장 긴 것은 플루토늄-244로서 8천 80만 년이며 플루토늄-242는 373,300년이다. 나머지는 7000년 이하의 반감기를 가진다. 이들 동위원소의 질량수는 228부터 247 사이이며, 가장 안정한 동위원소인 플루토늄-244보다 작은 질량수를 가진 동위원소의 주요 붕괴 방식은 자발적인 핵분열과 알파-붕괴에 의해 대부분 92개의 양성자를 가진 우라늄과 93개의 양성자를 가진 넵투늄으로의 붕괴이다. 플루토늄-244보다 더 큰 질량수를 가진 동위원소는 베타-붕괴를 통하여 주로 95개의 양성자를 가진 아메리슘 동위원소를 형성한다.
한편, 핵 합성은 1940년 시보그 연구팀에 의해 밝혀졌듯이 플루토늄-238은 우라늄-238에 중양자를 충돌시켜 얻는다.
²³⁸₉₂U + ₂₁D → ²³⁸₉ ₃Np + 2¹₀n
²³⁸₉ ₃Np → ²³⁸₉₄Pu + ⁰₋₁e
화학적 성질
플루토늄 원소는 수용액에서 +3, +4, +5, +6의 4가지 산화 상태를 가지며, 간혹 +7의 상태를 가지기도 한다. 수용액에서 이들의 색은 매우 다양한데, 이는 산화 상태와 음이온이 플루토늄과 착물을 형성하는 데 영향을 주기 때문이다.
금속 플루토늄은 테트라플루오린화 플루토늄(PuF₄)을 1200 °C에서 바륨, 칼슘, 또는 라듐과 반응시켜 생산한다. 플루토늄은 반응성이 큰 금속으로 습한 공기 중에서 산화물과 수화물의 혼합물을 형성한다. 또한, 할로젠 원소와 반응하여 다양한 트라이할로젠화 플루토늄(PuX₃, X = F, Cl, Br, I)과 테트라플루오린화 플루토늄을 생성한다. 또한, 산화 할로젠화물도 얻으며, 탄소, 질소와 각각 반응하여 플루토늄 카바이드(PuC)와 플루토늄 나이트라이드(PuN)를 그리고 규소와도 반응하여 플루토늄 실리카이드(PuSi₂)를 생성한다.
용도
핵무기
인공적으로 만들어진 원소는 많이 있지만 그 중에서도 많이 생산되는 것이 플루토늄이다. 플루토늄은 핵무기로서 이용되기 때문인데, 1945년 미 공군이 나가사키에 투하한 암호명 팻 맨이라고 이름붙여진 플루토늄 폭탄이 대표적이다. 사실 우라늄으로 만든 핵무기는 초창기의 일부 외에는 굉장히 적은 편이고 현대의 핵무기는 대부분 플루토늄으로 만들어진다.
핵무기에는 ²³⁹Pu가 쓰이는데 이걸 만드는 방법은 원자로에서 핵분열물질인 ²³⁵U를 핵분열시키는 것으로 시작한다. 이 핵분열 과정에서 나온 중성자가 핵분열물질이 아닌 ²³⁸U 에 흡수되어 ²³⁹U나 넵투늄을 거쳐서 ²³⁹Pu가 된다. 그 다음에는 ²³⁹Pu을 화학적으로 분리해낼 수 있다. 또 핵연료로 쓰이는 ²³⁵U는 천연 우라늄의 0.8%밖에 안되는 소량이지만, 이를 태운 후 재처리를 해서 나오는 ²³⁹Pu는 태우는데 쓰인 ²³⁵U보다 훨씬 많은 양이 생성된다. 즉, 태운 우라늄 연료보다 생산되는 플루토늄 연료가 더 많다. 이렇게 핵분열 연료를 증식시키는 방식의 원자로가 바로 증식로이다.
우라늄 농축은 오직 1.2% 남짓의 질량차에만 의존하므로 고도의 기술과 엄청난 비용이 필요한데, 플루토늄은 우라늄과는 화학적 성질이 다른 별개의 원소이므로 분리 및 농축이 간단하다. 게다가 플루토늄의 경우 임계질량도 우라늄보다 작다. 그래서 최근 제조되는 원자폭탄의 대부분은 플루토늄제이다. 플루토늄 농축과 분리를 가리켜 핵연료 재처리라고 부른다. 플루토늄은 우라늄-235보다 효율이 더 좋은 연료[8]이나, 이걸 분리하는 기술을 갖게 된다면, 곧 핵무기 제조가 가능한지라 지금도 머리아픈 물질이다. 현재는 플루토늄과 열화우라늄을 섞은 MOX 연료를 차세대 연료로 밀고 있다. EDF의 경우 라 아그에서 만든 MOX 연료를 일반 경수로에 사용하고 있다.
원자력 전지
핵폭탄이나 원자로의 핵연료의 재료로 쓰이는 ²³⁹Pu 외에 동위원소로 ²³⁸Pu도 있는데 유용하게 활용된다. 이건 핵폭탄이나 원자로의 연료로는 쓸 수 없지만 붕괴하면서 차폐가 쉬운 알파선만 내고 반감기가 88년 정도로 적당해 장기간 일정한 에너지를 발생시켜야 하는 원자력 전지용으로 최적의 연료이다. 알파선만 차폐하면 되니 납으로 몇 밀리미터만 감싸면 되고, 거기다가 원자력 전지는 에너지 큰 알파선이 좋은 연료이기 때문에 최적의 연료라고 볼 수 있다. 1g당 0.568W의 에너지를 수십 년간 낼 수 있으므로 핸드폰 충전하기 귀찮은 사람들은 이론적으로는 이걸 이용한 사실상 영구히 작동하는 핸드폰을 꿈꿀 수 있지만 굳이 문제점을 하나씩 짚지 않더라도 그런 제품이 나올 리가 없다는 것은 이해할 수 있을 것이다.
NASA의 우주탐사선용 원자력전지도 대부분 플루토늄 238을 연료로 사용해왔는데, 일단 이걸 사용하기 위해선 핵연료 재처리는 기본이고, 동위원소 분리를 해야 한다. 즉, 유지비가 엄청나게 비싸서 미국은 1988년 이후로 생산을 중단했고, 지금은 원자력 전지 2대 만들기에도 좀 부족한 양 밖에 남아있지 않다. 그래서 2011년 발사된 목성 탐사선 주노는 목성 탐사선으로는 최초로 원자력 전지 대신 커다란 태양전지를 사용하고 있다. 그러나 이제 다시 생산라인을 구동하여 연간 1.5 kg을 만들어낼 예정이다.
위험성
²³⁹Pu 의 독성은 ²³⁹Pu이 방출하는 알파의 성질과 체내에 들어간 ²³⁹Pu이 체류하는 시간의 길이에 기인한다. 다른 초우라늄원소와 마찬가지로 원자력 발전에 따른 ²³⁹Pu의 발생 · 이용량이 증대함에 따라서 이 원소의 독성문제가 심각해졌다. 주로 문제가 되는 것은 발암(發癌) 효과이며, 1μg(방사능은 약 0.06μCi. Ci는 방사능의 단위이며, 1Ci=3.7×10¹⁰Bq) 이하의 ²³⁹Pu를 투여한 쥐 · 비글견(犬)의 폐 · 뼈 · 피부 등에서 암이 발생하는 경우가 실험적으로 확인되었다. 인체에 불용성 입지(산화플루토늄)가 흡입되면 주로 폐에, 가용성 플루토늄을 섭취하면 뼈와 간(肝)에 모여, 각 장기의 암의 원인이 된다. ²³⁹Pu에 대한 허용농도는 공기중 6×10⁻¹³μCi/cm³(=2.2×10⁻⁸Bq/cm³), 수중 5×10⁻⁶μCi/cm³ (=0.2 Bq/cm³)이며, 일반인의 폐의 최대허용 부하량(負荷量 ; 체내에 받아들일 수 있는 허용량)은 1.6nCi(2.6×10⁻⁸g)로 작다. 고순도(高純度) ²³⁹Pu은 5~10kg으로 원자폭탄이 될 수 있고, 또 수소폭탄의 기폭제가 된다. 인도가 1974년에 평화목적인 원자시설을 이용하여 ²³⁹Pu을 제조·추출해 핵폭발을 성공시킨 이후, ²³⁹Pu을 에너지로 이용할 것인가 하는 문제를 둘러싸고 열띤 논쟁이 벌어지고 있다.
플루토늄의 치사량은 1140mg이며, 이는 치사량이 700mg인 청산가리와 같이 보다 일반적인 독성물질에 비해 화학적 독성이 낮다.
참고자료
같이 보기
