플루토늄이란 무엇일까?

#1 플루토늄이란?

플루토늄은 희귀한 초우라늄 방사성 동위원소로 원자번호 94, 기호는 Pu이다. 반감기는 최소 88년에서 최대 808만 년이다. 원자로내에서 우라늄 농축연료를 분열시키거나 238U에 중성자를 조사하여 플루토늄을 만든다. 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.

 

플루토늄은 금속 상태에서는 은빛이지만, 산화된 상태에서는 황갈색이 된다. 금속 플루토늄은 온도가 오르면 수축한다. 또, 저대칭성 구조를 가지므로, 시간 경과와 함께 점차 약해진다.

알파 입자의 방출에 의한 열 때문에, 일정 이상량의 플루토늄은 체온보다 따뜻하며, 그 이상에서는 물을 끓일 수도 있다.

 

 

#2 개요

천연 우라늄 광석 중에 포함되어 있다는 것이 알려지기 전까지는 인공으로 만들어진 원소로만 여겨지고 있었다. 초우라늄 원소로, 방사성 원소이기도 하다. 239Pu, 241Pu 그 외 몇개의 동위원소가 존재하고 있다. 반감기는 239Pu의 경우 약 2만 4000년. 비중은 19.8로 몹시 무거운 금속이며, 금속 상태의 플루토늄은 니켈을 닮은 은백색의 광택을 갖고 있다. 녹는 점은 639.5℃, 끓는 점은 3,230℃이다.

초산이나 진한 황산에는 부동태화(부식 생성물이 피복이 되어 내부는 부식을 억제시키는 것) 되어 녹지 않으나, 염산이나 묽은 황산 등에는 녹는다. 원자가는 3가 ~ 6가가 있으며 그 중 4가가 가장 안정되어 있다. 금속 플루토늄은 발화성이 강해 분말상태에서는 그대로 자연발화하고, 덩어리 상태에서도 습기를 포함한 대기 중에서는 자연발화하기 때문에 다루는 데 어려움이 있으며, 과거에 일어난 플루토늄 사고의 대부분이 자연발화로 일어난 것들이다. 플루토늄과 그 화합물은 알파선을 방출하기 때문에 체내, 특히 폐에 축적되면 강한 발암성을 나타내므로 매우 유해하다.

 

 

원자로에서는 238U 이 중성자를 포획해 239U 가 되고, 그것이 베타 붕괴해 239Np가 되고, 239Np가 다시 베타 붕괴해 239Pu가 생긴다.(원자로 내에서는 다른 플루토늄 동위원소도 다수 생성될 수 있다.) 238U은 천연 우라늄의 대부분을 차지하고 있으므로 239Np와 239Pu도 위의 과정을 통해 생성되어 극미량이 천연에도 존재한다. 또 동위원소 중에서는 가장 긴 약 8000 만 년의 반감기를 가진 244Pu도 극미량이지만 천연에 존재한다. 플루토늄은 핵무기의 원료나, 플루서멀(Plu-thermal) 발전에 있어서의 MOX 연료로서 주로 사용되고, 인공위성의 전원인 원자력 전지로서 사용된 적도 있다.

 

#3 이용

239Pu 는 핵분열의 일어나기 쉽고 합성이 용이하기 때문에, 현대 핵무기의 주요한 원료가 되는 핵분열성 물질이다. 반사체가 없는 구상 플루토늄의 임계량은 16 kg이지만, 중성자를 반사하는 탬퍼를 이용하면 10 kg(직경 10 cm의 구에 상당)까지 줄일 수 있다. 1 kg의 플루토늄이 완전하게 반응했다고 하면, 20 킬로톤의 TNT에 해당하는 폭발 에너지를 낳을 수 있다. 239Pu 가 알파 붕괴하게 되면 핵분열이 잘 일어나는 235U로 변하게 되는데, 239Pu 는 그런 235U보다 핵분열을 일으키기 쉽다.

 

 

동위체 238Pu 는 반감기 87년의 알파 방사능 물질이기 때문에 인간의 수명 정도 기간 동안 직접 보수하는 일 없이 동작할 필요가 있는 기기의 전력원에 적절하다. 그 때문에 238Pu 는 갈릴레오 호나 카시니-하위헌스 호의 전원이 되는 원자력 전지에 이용되었다. 또 같은 기술로 아폴로 달표면 탐사 계획의 지진 실험에도 이용되고 있다.

238Pu 는 인공심장의 전원에도 이용되어 수술을 반복하는 위험을 피하는 데 도움이 되고 있다. 요즘에는 대부분 일차 전지인 요오드화 리튬을 이용하고 있지만, 2003년에 50에서 100개 정도의 플루토늄 전원을 사용한 인공심장이 이식되었다.

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플루토늄에 대한 포스팅은 잘 보셨나요?

플루토늄을 쓰면서 새로 알게된 사실들이 많았던 것 같아요!

익숙하지가 않았던 용어였는데 포스팅을 하면서 많이 가까워 지게 된 것 같아요 :-)