우라늄이란?

[dkchoi]

우라늄은

악티나이드계열의 화학적 활성이 높은 원소로 산화물, 인산염, 황산염, 탄산염등과 같은 형태의 광물로서 존재한다. 1789년 독일의 화학자 M.H.클라프로트에 의해서 발견되어 1781년 토성(土星)의 바깥쪽에서 발견한 새 행성 Uranus(天王星)에서 따서 명명되었다. 홑원소물질로 처음으로 분리한 것은 1842년 프랑스의 E.M.펠리고이다. 광물로 존재하는 우라늄은 지각에 널리 분포되어 있으며 평균적인 존재량은 약 2∼3ppm 인 것으로 알려져 있다. 그리고 바닷물 속에 약 3ppb 정도가 포함되어 있는 것으로 추정되고 있다.
그런데 기술적으로나 경제적으로 이용될 수 있는 우라늄 광상의 품위는 일반적으로 0.1∼0.3% U3O8 정도이기 때문에, 활용될 수 있는 우라늄 자원은 흔치 않으며 주로 캐나다, 미국, 호주, 남아프리카 및 중앙아프리카에 많이 존재한다.
표에 나타낸 자유세계 우라늄 자원의 매장량에 의하면 산화물형태의 우라늄을 얻는데 필요한 경비가 kg당 80불 이하인 것이 175만톤, 그리고 kg당 80불에서 130불 사이인 것이 55만톤이며, 추가적으로 추정되는 것은 각각 160만톤과 112만톤으로 발표되어 있다. (OECD / NEA-IAEA, 1982), 우리나라에는 평균 품위가 약 0.04%로 그 양은 약 1,100톤이 매장된 것으로 확인되었다.

가. 동위원소

천연우라늄은 질량수 234(존재 백분율 0.0058 %, 반감기 24만 8000년), 235(존재백분율 0.715 %, 반감기 7억 1300만 년), 238(존재백분율 99.2 %, 반감기 45억 1000만년) 등 3종의 동위원소로 이루어지며, 그 밖에 인공적으로 만든 동위원소를 포함하면 질량수 227로부터 240까지 14종이 존재한다. 우라늄 235는 악티늄족 계열 최초의 핵종으로 악티노우라늄(AcU)이라고도 하며, 열중성자(熱中性子)·고속중성자·양성자·α입자·중양성자(重陽性子)·β선 등의 충격에 의해서 핵분열 하는데, 열중성자에 의한 핵분열에서는 약 200 MeV의 에너지를 방출하며 평균 2.5개의 중성자도 방출한다. 따라서 방출된 중성자가 다른 우라늄 235 원자를 분열시키도록 조건을 주면 연쇄반응을 일으켜 거대한 에너지를 방출한다. 또한 순수한 우라늄 235에서는 1 g당 매초 약 0.0003개의 원자가 자발핵분열(自發核分裂)을 일으키므로 일정량 이상 모이면 연쇄반응에 의해서 핵폭발이 일어난다. 이것을 이용한 것이 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 투하된 최초의 원자폭탄이었다. 우라늄 238은 우라늄계열의 최초의 핵종으로 우라늄I(UI)라고도 하며 중성자를 많이 흡수하므로 연쇄반응올 억제할 수 있지만 그 결과 우라늄 239로 되어 넵투늄 239를 거쳐 플루토늄 239로 변한다. 이 플루토늄 239는 중요한 핵연료로 사용된다. 따라서 천연 우라늄 중 235와 238을 분리할 필요가 있게 되어, 제2차 세계대전 중 미국의 원자폭탄제조계획에 의해서 모든 방법들이 검토되었다. 결국 플루오르화물 UF6를 이용하여 그 기체에서 확산속도의 차에 의한 물리적 방법이 채용되었다. 즉, 기체로 변화시킨 경우의 2356UF와 2386UF에서는 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 토륨 232를 원자로 내에서 우라늄 235의 열중성자류에 접촉시키면 토륨 232로부터 프로트악티늄 233을 거쳐 우라늄 233이 얻어지는데 이것은 우라늄 235나 플루토늄 239와 같은 연쇄반응을 일으키므로 원자로 연료로 중요하다.

나. 존재

화합물로서 지구 표층에 많이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 암석·해수 중에 엷고 광범위하게 분포해 있다. 암석 중의 평균함유량은 t당 4 g 정도라고 하는데, 이 양은 금이나 은보다는 많다. 우라늄을 함유하는 주요광물은 페그마타이트맥 또는 열수광상(熱水鑛床)에서 산출되고, 각종 광물이 알려져 있지만 중요한 것은 피치블렌드·카노타이트·비동(砒銅)우라늄석·인회우라늄석·인동우라늄석·비회(砒灰)우라늄석 등이 있다. 주산지는 캐나다·남아프리카·미국·러시아·오스트레일리아·브라질 등이다.

다. 성질
철에 유사한 은백색의 광택이 있는 금속이다. 상온에서 얻는 금속은 i 우라늄이라 하며, 662 ℃에서 β 우라늄으로 변하며, 772 ℃에서 I 우라늄이 된다. i 우라늄은 사방정계(斜方晶系)이며, 결정의 세 축방향에 따라 팽창률이 다르다. 이로 인해서 원자로 연료로써 금속우라늄을 사용하면 연료막대가 변형하는 일이 생긴다. 진공 융해시켜 주조(鑄造)한 우라늄은 냉간가공(冷間加工)이 가능하며 가공 경화시킨 것이라도 가열하면 곧 연화된다. 공기 중에서 가열하면 발화해서 산화우라늄 U3O8이 된다. 할로겐·황·질소와도 직접 반응한다. 묽은 산에는 녹아 수소를 발생하며 4가의 우라늄염이 된다. 질산에도 녹아 질산우라닐로 변한다. 알칼리와는 반응하지 않으며 이온화경향은 망간과 아연의 중간이다. 화합물의 주원자가는 2, 3, 4, 5, 6가인데 6가가 가장 안정하고 4가가 그 다음이다.

라. 제법
보통 우라늄광석으로부터 조정련(粗精鍊)에 의해서 옐로 케이크(성분은 산화우라늄이거나 우라늄산염)로 만들고 이것으로부터 금속우라늄을 만든다. 처음 단계에서는 광석의 종류에 따라 일정하지 않지만, 일반적으로 광석으로부터 황산으로 우라늄을 추출하고, 그 추출액을 이온교환수지에 통과시켜 흡착시키고 다른 이온들과 분리한다. 흡착시킨 것은 질산으로 용리시킨 후 용출액에 석회를 가해서 불순물인 철을 제거하고 다시 수산화나트륨으로 우라늄을 침전시키고 건조하여 옐로 케이크를 만든다. 최근에는 이온교환수지 대신에 용매추출법이 더 많이 사용되고 있다.

그 다음 단계에서는 옐로 케이크를 질산에 녹이고 인산트리부틸의 등유용액으로 우라늄을 추출한 후 증발시켜 질산우라닐로 만든다. 다시 이를 분해시켜 산화우라늄 UO3로 만든 것을 수소로 환원시킨 후 플루오르화수소와 반응시켜 플루오르화우라늄 UF4를 만든다. 이것을 고순도의 금속마그네슘과 반응시켜서 테르밋법에 의해서 금속마그네슘으로 변화시킨다. 또 옐로 케이크를 황산에 녹여 다시 이온교환수지로 정제한 후 전해환원(電解還元)시켜 플루오르화수소산으로 플루오르화물 UF4로 만드는 방법도 있다. 일반적으로 우라늄은 원자로용으로 사용되는 것이 많기 때문에 열중성자를 잘 흡수하는 원소, 예를 들면 희토류원소를 비롯해서 붕소·카드뮴·수은 등을 특히 주의해서 제거시키고 있다. 또한 산소·질소·수소 등과 반응성이 크기 때문에 융해시킬 때에는 고진공이나 헬륨·아르곤 등 속에서 행하며, 베릴리아·산화지르코늄·산화알루미늄 등의 도가니를 사용하여 고주파가열(高周波加熱)을 한다.

마. 용도
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. 이것은 기체확산분리 과정의 도중에서 뽑아냄으로서 적당한 농축도의 것을 얻을 수 있다. 원자로연료로 여러 가지 형태로 사용되고 있지만 균질로(均質爐)에서는 우라늄금속(때로는 합금)을 적당히 성형한 것이, 불균질로에서는 황산염·질산염의 용액이 사용된다. 그 밖에 여러 가지 내식성합금(耐蝕性合金)에도 소량 사용되고, 또 이우라늄산나트륨(우라늄황이라고도 한다)으로 유리·도자기 등의 착색제(着色劑)로도 사용되고 있다.

(출처 : '우라늄 자원' - 네이버 지식iN)