21세기 주목 받는 원소- 플루토늄

[白山]

원자번호 94번의 원소 플루토늄(plutonium, Pu)은 아마도 지금 가장 주목받고 있는 원소 중의 하나일 것이다. 플루토늄은 우라늄광에는 극히 미량으로 존재하나 사용 후 우라늄 핵 연료에는 상당량 존재하는데, 이는 핵 반응로에서 우라늄-238(핵 연료로는 직접 사용될 수 없는 동위원소)로부터 생성되기 때문이다. 가장 중요한 동위원소는 플루토늄-239인데, 이는 우라늄-235처럼 핵 분열될 수 있는 핵 종이어서 원자력 발전 연료와 핵 폭탄 제조에 사용될 수 있다. 더욱이 이는 우라늄-235보다 핵 분열 특성이 우수하고, 사용 후 핵 연료의 재처리를 통해 보다 대량으로 쉽고 값싸게 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서, 이의 활용 용도에 따라 값싸고 풍부한 원자력 발전 연료가 될 수도 있고 인류를 파멸로 이끄는 핵무기 원료가 될 수도 있는데. 1945년에 일본 나가사키에 투하된 원자폭탄은 이를 사용한 것이다. 플루토늄은 한미관계나, 남북 관계나 앞으로 계속 논란의 중심에 있을 수 밖에 없는 원소이기도 하다. 한편, 또 다른 동위원소 플루토늄-238은 우주 탐사선 등에 탑재되는 원자력 전지에 사용되어 수십 년간 필요한 에너지와 열을 공급하는 동위원소이다. 플루토늄의 발견과 역사, 물리·화학적 특성, 생산과 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

원자번호 94번, 플루토늄

플루토늄(plutonium)¹⁾은 원자번호 94번의 원소로 원소 기호는 Pu이다. 주기율표에서 악티늄족 원소의 하나이며, 넵투늄(Np) 다음에 있는 두 번째 초우라늄원소이다. 플루토늄은 모든 동위원소들이 방사성 붕괴를 하는 방사성 원소인데, 1940년에 ²³⁸U에 중수소(²H)를 충돌시켜 ²³⁸Pu(반감기 87.74년)를 합성함으로써 처음 발견되었다. 곧 이어 보다 수명이 길고 핵 연료로 사용될 수 있는 ²³⁹Pu(반감기 24100년)이 유사한 방법으로 합성∙발견되었고, 우라늄 광석에서도 극미량 발견되었다. 자연계에 주로 존재하고 또 인공적으로 가장 쉽게 얻을 수 있는 것은 ²³⁹Pu로, 보통 플루토늄이라 말할 때는 이 동위원소를 가리킨다.

원자번호 94번 플루토늄. <사진:나가사키에 투하된 플루토늄 원자폭탄 폭발 장면>

플루토늄의 원소정보

플루토늄은 은백색 금속으로 공기에 노출되면 쉽게 산화되어 표면이 흐려진다. 습한 공기에 노출되면 산화물과 수소화물이 생성되고 부피가 70%까지나 늘어나며, 이들은 쉽게 분말로 떨어져 나간다. 녹는점(640^oC)이 낮고 끓는점(3230^oC)은 높으며, 밀도(19.86g/cm³)는 크다. 7가지의 서로 다른 결정 구조를 갖는 동소체가 있다. 화학 반응성이 크며 산소, 수소, 할로겐, 질소, 규소 등과 반응한다. 화합물은 보통 +3~+6의 산화상태를 가지며 +7가 상태도 가끔 발견된다. 가장 안정하고 흔한 산화상태는 +4이며, 용액에서는 산화상태에 따라 각기 다른 색을 띤다.

자연에서는 ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁴Pu 등이 미량 발견되는데, 대부분이 ²³⁹Pu이다. ²³⁹Pu는 ²³⁸U이 우라늄의 핵 분열에서 내놓는 중성자를 흡수하여 생성된 ²³⁹U로부터 두 번의 β^-붕괴 과정을 거쳐 생성되는데, 캐나다 시가레이크(Cigar Lake)에서 채취한 우라늄 광석에서 측정한 ²³⁹Pu/U 비율은 (2.4~44)x10^-12정도이다. 한편, ²³⁸Pu는 아주 확률이 작지만, ²³⁸U의 이중 β^- 붕괴에 의해 생성되는 것으로 여겨지며, ²⁴⁴Pu(반감기 8080만년)은 지구 생성시 생성된 원시 원소 중 일부가 아직도 붕괴되지 않고 남아있는 것으로 현존하는 가장 무거운 원시 원소이다.

플루토늄은 자연에 존재하는 양이 매우 적어 자연에서 분리해서 얻지는 않으며, 사용 후 우라늄 핵 연료에 들어있는 것을 재처리하여 얻거나, 특수 원자로에서 우라늄 또는 넵투늄으로부터 만든다. ²³⁹Pu와 ²⁴¹Pu는 핵 분열될 수 있어 원자력 발전과 핵 무기의 연료로 사용할 수 있는데, 주로 ²³⁹Pu가 사용된다. ²³⁸Pu(반감기 87.74년)는 자발적 핵분열로 1kg당 약 560W의 열을 수십 년간 방출하므로, 우주탐사선 등에 탑재되는 방사성 동위원소 열전기 발전기(radioisotope thermoelectric generator, RTG: 원자력 전지)에 사용된다.

플루토늄의 발견과 역사

플루토늄의 발견 과정은 93번 원소 넵투늄의 발견 과정과 비슷하다. 1871년에 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)는 원자번호 92번 원소인 우라늄보다 무거운 원소들이 최소한 5가지가 있을 것으로 예언하였다. 이를 찾아내고자 여러 과학자들이 노력하였는데, 자연계에서는 이를 찾아내지 못하였다. 1934년 초에 이탈리아 물리학자 페르미(Enrico Fermi, 1901~1954: 인공 방사성 연구의 업적으로 1938년 노벨 물리학상 수상)는 우라늄에 중성자를 쪼여서 93번과 94번 원소를 합성·발견하였다고 주장하였다. 그는 93번 원소는 남부 이탈리아의 옛 그리스 이름 아우소니아(Ausonia)를 따서 아우소늄(ausonium)으로 이름짓고, 94번 원소는 이탈리아의 다른 이름 헤스페리아(Hesperia)를 따서 헤스페륨(hesperium)으로 명명하였다. 그 해 9월에 타케(Ida Tacke-Noddark, 1896~1978: 1925년 레늄(₇₅Re)의 공동 발견자)는 폐르미의 주장을 반박하는 논문을 발표하였는데, 그녀는 페르미가 새로운 원소 발견에 대해 완벽한 분석을 하지 않았다고 지적하였다. 결국 페르미가 실제로 달성한 것은 핵 합성이 아니고 핵 분열이었으며 그가 얻은 것은 우라늄 핵분열 생성물인 바륨(Ba), 크립톤(Kr) 등의 혼합물이었음이 밝혀졌는데, 당시에는 핵 분열이 알려지기 전이라 페르미는 이를 인지하지 못하였다.

플루토늄은 1940년 12월 14일에 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)의 시보그(Glenn. T. Seaborg, 1912~1999), 월(Arthur C. Wahl, 1917~2006), 케네디(Joseph W. Kennedy, 1916~1957), 그리고 맥밀런(Edwin M. McMillan, 1907~1991)에 의해 처음으로 합성·발견되었다. 그들은 60인치 사이클로트론에서 가속된 중수소 원자핵(²H)을 ²³⁸U에 쪼여 ²³⁸Pu를 합성하였으며, 1941년 2월 23일에는 이를 화학적으로 확인하였다.

그들은 1941년 3월에 이에 대한 논문을 학술지에 제출하였는데, 곧 원자폭탄의 연료로 사용될 수 있는 새로운 동위원소 ²³⁹Pu가 발견됨으로써 이 논문은 보안상의 문제로 철회되고 제2차 세계대전이 끝난 후로 발표가 미루어졌다. 원소 이름은 주기율표에서 행성 천왕성(Uranus)을 따서 이름지은 우라늄(원자번호 92) 바로 다음에 있는 93번 원소를 태양계에서 천왕성 바로 다음에 있는 행성 해왕성(Neptune)을 따서 넵투늄이라고 지은 추세를 이어, 이 원소(94번 원소)를 해왕성 다음의 행성 명왕성(Pluto, 지금은 왜소 행성으로 분류됨)을 따서 플루토늄(plutonium)으로 하였다. 맥밀런과 시보그는 초우라늄 원소들을 발견한 공적으로 1951년 노벨 화학상을 공동 수상하였다.

곧이어 1941년 초에 케네디, 세그레(Emilio Segrè, 1905~1989: 반양성자를 발견한 공로로 1959년 노벨 물리학상 수상), 시보그는 ²³⁸U에 중성자를 쪼여 ²³⁹Pu를 합성·발견하였으며, 1942년에는 플루토늄이 우라늄 광석에 극미량 포함되어 있는 것이 확인되었다.

우라늄에서 플루토늄을 만드는 처음 실험에서 단지 0.5마이크로그램(μg) (1μg = 1x10^-6g)의 ²³⁹Pu를 분리해서 얻었는데, 여기에 저속 중성자를 쪼이면 핵 분열이 일어나는 것이 확인되었다. 1943년에는 삼플루오르화 플루토늄(PuF₃)을 환원시켜 처음으로 금속 플루토늄 알갱이 약간(몇 μg)을 얻었으며, 이후 원자폭탄을 개발하려는 미국의 맨해튼계획(Manhattan Project)이 수행되면서, 1945년에는 3개의 폭탄을 만드는데 충분한 양(수십 kg)이 미국에서 확보되었다. 1945년 7월 16일에는 6kg의 플루토늄을 사용한 원자 폭탄이 성공적으로 시험되었고, 같은 해 8월 9일에는 TNT 21,000톤과 맞먹는 폭발력을 갖는 플루토늄 폭탄이 일본 나가사키에 투하되어 7만 명이 사망하고 10만 명이 부상당하는 비극을 초래하면서 제2차 세계대전의 종식을 가져오게 하였다.

플루토늄은 은백색이나 공기 중에서 표면이 산화되어 진한 회색으로 흐려진다. 방사성 붕괴에서 방출되는 열 때문에 만지면 따뜻하게 느껴진다.

물리적 성질

플루토늄은 니켈과 비슷한 밝은 은백색의 금속인데, 녹는점(640^oC)은 낮고 끓는점(3230^oC)은 높다. 공기 중에서는 빠르게 표면이 산화되어 회색이 된다. 결정 구조가 다른 일곱 가지 동소체(α-, β-, γ-, δ-, δ’-, ε- 및 ζ-Pu)가 있는데, 이들 동소체들은 내부에너지가 아주 비슷하나 밀도는 19.86g/cm³(α-Pu)에서 15.92 g/cm³(δ-Pu)까지 크게 다르다. 구조 전이 온도는 각각 약 110^oC(α→β), 220^oC(β→γ), 310^oC(γ→δ), 450^oC(δ→δ’), 490^oC(δ’→ε)이며, ζ-Pu는 고온에서 특정 압력 범위에서 존재한다. 이런 성질 때문에, 플루토늄의 성질은 온도, 압력 등에 따라 민감하게 변하며, 쉽게 구조가 변해 가공이 어렵다. 실온에서 안정한 α-Pu는 단사정(monoclinic) 구조를 가지며 선철(cast iron)처럼 단단하고 부서지기 쉬운데, 가공시 전성이 있는 플라스틱 형태의 β-형으로 변할 수 있다. 310~450^oC에서 존재하는 δ-형은 약간의 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 또는 세륨(Ce)이 첨가되면 실온에서도 안정하게 되고 가공성이 좋다. δ-와 δ’-형은 온도가 높을수록 부피가 늘어나는 특이한 성질을 보인다. 대부분의 다른 금속에 비해 열과 전기를 잘 통하지 않으며, 금속으로는 특이하게 온도가 낮을수록(20K까지) 전기 전도도가 작아지는데, 다만 δ’-형의 경우는 커진다. 자기적으로는 상자기성(paramagnetic)이다. 높은 에너지의 α-입자를 내면서 방사성 붕괴를 하므로, 만지면 따뜻하게 느껴지며, 사용 후 핵연료에서 방출되는 열의 상당 부분은 플루토늄에서 나오는 것이다.

동위원소
플루토늄은 질량수가 228~247인 20가지의 동위원소들이 알려져 있는데, 이들은 모두 방사성 동위원소이며 인공적으로 합성되었다. 가장 안정한 동위원소는 ²⁴⁴Pu(반감기 8,080만년)이며, 원시 핵 종으로 자연계에서도 극 미량 발견되는데, 지구의 나이를 46억으로 보면, 지구 생성시에 만들어진 이 원시 핵 종의 1.3x10^-13%가 아직도 지구 상에 남아있다는 계산이 나온다. ²⁴⁴Pu 외에 수명이 긴 동위원소들은 ²⁴²Pu(반감기, 377,000년), ²³⁹Pu(반감기, 24,110년), ²⁴⁰Pu(반감기, 6,560년), ²³⁸Pu(반감기, 87.74년), ²⁴¹Pu(반감기, 14.29년), ²³⁶Pu(반감기, 2.86년)이며, 나머지는 반감기가 50일보다 짧다. ²⁴⁴Pu외에도 ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴²Pu가 우라늄 광석에서 극 미량 발견되는데, 거의 대부분은 ²³⁹Pu이다. ²³⁹Pu는 ²³⁸U가 중성자를 흡수한 후 β^-붕괴를 하여 생긴 ²³⁹Np의 β^-붕괴로 생성되며, ²³⁸Pu는 극히 드물게 일어나기는 하지만 ²³⁸U의 이중 β^-붕괴로 생성된다. ²⁴⁰Pu는 ²⁴⁴Pu의 붕괴 사슬에서 생성될 수 있는데, 이럴 경우 ²⁴⁴Pu보다 1000배나 더 희귀할 것으로 여겨지며, ²³⁹Pu보다 더 무거운 동위원소들은 ²³⁹Pu의 중성자 흡수로 생성되었을 수도 있다. 8가지의 준 안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 모두 반감기가 1초 이내이다.

²⁴⁴Pu, ²⁴²Pu, ²³⁶Pu, 질량수가 238~240인 동위원소, 그리고 질량수가 230이하인 동위원소들은 주로 α붕괴를 하고 우라늄 동위원소가 되는데, 극히 일부는 자발적 핵 분열을 한다. 질량수가 231~235인 동위원소들과 ²³⁷Pu는 주로 전자포획(β⁺ 붕괴)을 하고 넵투늄 동위원소가 된다. ²⁴¹Pu, ²⁴³Pu, 그리고 질량수가 245이상인 동위원소들은 주로 β^-붕괴를 하고 아메리슘(Am) 동위원소가 된다. ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴³Pu는 중성자에 의해 핵 분열이 될 수 있는데, 이중 핵 연료로 쓰이는 것은 ²³⁹Pu이다. ²⁴³Pu는 반감기가 4.96시간으로 짧아 실제로 핵 연료로는 사용할 수 없다. ²⁴⁰Pu는 다른 플루토늄 핵 종에 비해 자기 핵 분열이 잘되고, 이때 방출되는 중성자로 인해 ²⁴⁰Pu로 오염된 핵 연료에서는 작은 폭발이 일어날 수 있다. 따라서 ²³⁹Pu 핵 연료에서 ²⁴⁰Pu 의 오염을 줄이는 것이 필요한데, 이들이 화학적으로 구분될 수 없어 아주 어렵고 비용이 많이 드는 동위원소 분리 방법으로 분리해 낸다.

자발적 핵 분열로 열이 방출되어 빛을 내는 플루토늄-238. 1kg(부피 약 50 cm³)에서 약 560W의 열이 나오며, 우주탐사선 등에 탑재되는 플루토늄 원자력 전지는 이 열을 전기로 변화시키는 것이다.

화학적 성질

플루토늄은 화학 반응성이 크며, 화학적 성질이 넵투늄(Np), 우라늄(U)과 비슷하다. 공기 중에서 쉽게 산화되어 산화물 막을 만들며, 수증기와 반응하여 산화물을 생성하면서 수소를 발생시킨다. 수소와는 25~50oC의 낮은 온도에서도 반응하여 수소화물이 된다. 습한 공기 중에서는 산화물과 수소화물을 만들면서 부피가 70%나 늘어나는데, 이들 화합물들이 금속 표면에서 쉽게 떨어져 나가 새로운 금속 표면이 노출되므로 자연 발화할 수도 있다. 공기 중에서는 135oC에서 자연 발화할 수 있으며, 사염화탄소(CCl4)에서 폭발할 수 있다. 따라서 플루토늄은 진공이나 비활성 기체 하에 보관하여야 한다. 할로겐화물과 금속간(intermetallic) 화합물들을 쉽게 만들며, 대부분의 비금속 원소들과도 화합물을 만든다. 염산, 묽은 황산, 과염소산 등에는 잘 녹으나, 진한 질산과 황산에는 녹지 않으며, 알칼리에도 침식되지 않는다. 화합물에서는 +3~+7의 산화상태를 갖는데, +4가 상태가 가장 안정하고 흔하다. 우라늄이나 넵투늄과 마찬가지로, 다이옥소(플루토닐, plutonyl) 이온(PuO2+, PuO22+)을 잘 만든다. +3가 상태 플루토늄은 약한 환원제이며, 공기가 없는 용액에서는 안정하나 공기 중의 산소에 의해 느리게 +4가 상태로 산화된다. +3 또는 +4가 상태는 강한 산화제에 의해 +6가 상태로 산화되며, +6가 상태는 SO2나 [Fe(CN)6]4-에 의해 +3 또는 +4가 상태로 환원된다. 수용액에서는 산화상태가 서로 다른 4가지 이온으로 존재하는데, 이들은 Pu3+(보라색), Pu+(황갈색), PuO2+(연분홍색), PuO22+(주황색을 띤 분홍색)이다. 이들 외에도 초록색의 +7가 상태(PuO53-)가 가끔 관찰된다. 산성 수용액에서 Pu3+/Pu및 Pu4+/Pu의 표준 환원전위(Eo)는 각각 -2.00V와 -1.25V이다. Pu3+ + 3 e-  Pu         Eo = -2.00 V Pu4+ + 4 e-  Pu         Eo = -1.25 V

플루토늄의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>

플루토늄의 분리와 합성

플루토늄의 20가지 동위원소 중 오늘날 실용적으로 주로 사용되는 것은 ²³⁹Pu와 ²³⁸Pu이다. 이들은 우라늄을 연료로 사용하는 핵 반응로에서 생성되어 사용 후 핵 연료에 들어있다. 사용 후 핵 연료에는 보통 약 0.8%의 ²³⁹Pu가 들어 있으며, ²³⁸Pu의 전구물질이 되는 ²³⁷Np는 약 0.05% 들어있다. 사용 후 핵 연료에는 이외에도 여러 다른 플루토늄 동위원소와 방사성 악티늄족 동위원소 그리고 여러 핵 분열 생성물들이 함께 들어있어, ²³⁹Pu와 ²³⁷Np만을 순수하게 분리해 내기가 대단히 어렵다. 따라서 보통은 이들을 사용 후 핵 연료에서 분리하는 대신, 특수 핵 반응로에서 개별적으로 합성하여 얻는다. 그러나 일부 나라에서는 사용 후 핵 연료를 재처리하여 핵 무기용 ²³⁹Pu를 얻고자 하기 때문에 사용 후 핵연료 재처리가 핵 무기 확산 방지와 관련하여 국제적 관심의 대상이 된다.

²³⁹Pu는 ²³⁸U에 저속 중성자를 쪼여 만들어진 ²³⁹U가 두 단계의 β^-붕괴를 일으켜 쉽게 생성된다. ²³⁸Pu는 보통 핵 반응로에서 ²³⁷Np에 중성자를 쪼여 얻는데, ²³⁷Np는 사용 후 우라늄 핵 연료에서 분리하거나, ²³⁹Pu 생산의 부산물로 얻는다.

생성된 플루토늄은 중성자를 쪼인 시료를 질산에 녹인 후 화학적으로 분리하며, 분리된 플루토늄은 탄산 플루토늄(Pu(CO₃)₂) 또는 옥살산플루토늄(Pu(C₂H₄)₂·6H₂O)으로 회수하고, 이들을 열 분해시켜 산화플루토늄(PuO₂) 형태로 얻는다. 금속 플루토늄은 사플루오르화플루토늄(PuF₄)을 1200^oC에서 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 또는 리튬(Li)으로 환원시켜 얻는다. 전세계 연간 생산량은 50톤 이상으로 짐작되며, 1000톤 이상의 금속 플루토늄이 핵 폭탄 또는 금속 막대로 비축되어 있는 것으로 짐작되고 있다.

도가니에서 용융된 플루토늄. <출처 : 미국 로스알라모스국립연구소>

플루토늄의 용도

²³⁹Pu는 핵 무기와 핵 반응로의 연료로 사용되고, ²³⁸Pu는 방사성 동위원소 열전기 발전기(플루토늄 원자력 전지)에 사용된다.

핵 무기와 핵 반응로 연료
핵 무기와 핵 반응로(원자로) 연료로 사용할 수 있는 주된 동위원소는 우라늄-235(²³⁵U), 우라늄-233(²³³U), 그리고 플루토늄-239(²³⁹Pu)의 세 가지이다. 이중에서 ²³⁵U 는 우라늄 광석에 들어있는 양이 0.72%로 매우 적어 연쇄 핵분열 반응을 위해서는 ²³⁵U의 함량을 높이는 농축(발전소 연료는 3~4%, 핵무기는 약 90% ²³⁵U) 과정이 필요하며, ²³³U는 토륨 핵연료 사이클에서 생성시켜 얻을 수 있으나 토륨 원전은 아직 상업화되지 않았으며 ²³³U를 이용한 핵무기도 아직 제조된 적이 없다. 반면에, ²³⁹Pu는 ²³⁵U에 비해 핵 분열 특성이 보다 좋고 또한 값싸게 얻어질 수 있어 핵무기와 원자력 발전에 널리 이용된다. 지속적 연쇄 반응에 필요한 최소 질량(임계 질량)이 ²³⁵U는 52kg인 반면 ²³⁹Pu는 10kg 정도로 훨씬 적어, 직경 10.2cm의 크기로 핵 탄두가 가능하며, 핵 분열 때 방출되는 에너지는 83.6TJ/kg(TJ는 terajoule로 1 TJ=1x10¹² J)이나 된다.

핵 무기 급으로 정제된 플루토늄 고리. 이의 반경은 약 11cm이고 무게는 5.5kg인데, 이는 폭탄 한 개의 중핵부(core)로 사용하기에 충분한 양이다.

우라늄 핵 연료에 들어있는 ²³⁸U는 핵 반응로 작동 시 ²³⁹Pu로 전환되는데, 생성된 ²³⁹Pu를 그대로 핵 분열시켜 전력 생산에 이용할 수 있다. 전형적인 상업용 핵 발전소에서 생산되는 전력의 약 1/3은 ²³⁹Pu에서 나온다. 또 원자력 발전에서는 산화우라늄(UO₂) 핵 연료에 약간의 산화플루토늄(PuO₂)을 첨가하기도 하는데, 이를 혼합산화물(Mixed oxide, MOX) 핵 연료라 부르며 고속 증식로(fast-breeder reactor) 연료로 사용된다. 고속 증식로는 핵 분열에서 발생한 고속 중성자로 ²³⁸U를 ²³⁹Pu로 변환시켜 연소시키는 원자로로, 소모되는 핵 연료인 ²³⁵U보다 더 많은 핵 연료 ²³⁹Pu를 생성시켜 사용한다. 우라늄 핵 연료에 ²³⁹Pu를 첨가하면 ²³⁵U를 농축시킬 필요성이 없거나 줄어들게 된다.

²³⁸Pu 방사성 동위원소 열전기 발전기(플루토늄 원자력 전지)
²³⁸Pu는 반감기가 87.74년으로 α입자를 방출하고 ²³⁴U가 되며, 이때 1g당 약 0.56 W의 열을 내어놓는다. 따라서 ²³⁸Pu는 방사성 동위원소 열전기 발전기(RTG, 플루토늄 원자력 전지)의 열원으로 사용되는데, 반감기가 길어 수십 년간 사용 가능하다. 플루토늄 원자력 전지는 1960~70년대에는 인공 심장 박동기에 주로 사용되었는데, 250개 정도가 제작되었다. 이후에는 우주 탐사선의 원자력 전지와 방사성 동위원소 가열기에 주로 사용되었는데, 이들은 보이저호(Voyager, 1977년에 발사된 태양계 외각 행성 탐사선으로 1호와 2호가 있음), 카시니-하위헌스호(Cassini-Huygens, 1997년에 발사된 토성 탐사선), 뉴호라이즌호(New Horizons, 2006년에 발사된 명왕성계 탐사선) 등의 우주 탐사선에 탑재되었다. 또한 2011년에 발사된 화성 탐사·실험선 큐리오시티호(Curiosity Mar rover)에는 4.8kg의 ²³⁸PuO₂를 사용한 플루토늄 원자력 전지를 탑재하였는데, 이는 처음 반감기인 87.7년 동안에 약 4.8x10¹² J의 에너지를 생산할 것으로 예상되며, 이 양을 천연가스의 연소로 얻으려면 86톤의 메탄과 345톤의 산소가 필요하다.

무인 화성 탐사∙실험선 큐리오시티호(Curiosity, 왼쪽)는 4.8Kg의 ²³⁸PuO₂를 사용한 플루토늄 원자력 전지(오른쪽)를 탑재하였는데, 이의 붕괴로 나오는 열로 밤에도 장치를 따뜻하게 유지하고, 필요한 전력을 생산한다.

플루토늄 화합물

플루토늄은 산화 상태가 +3~+7인 여러 화합물들을 만드는데, +4가 상태의 화합물이 가장 안정하고 흔하다. 산화물, 할로겐화물들이 비교적 잘 알려져 있으며, 여러 금속 합금 또는 금속간 화합물들도 중요하게 사용된다.

용액에서 산화 상태에 따라 여러 색을 띠는 플루토늄 이온 <출처: US. DoE>

산화물
플루토늄의 산화물은 PuO₂, Pu₂O₃, PuO가 알려져 있는데, 이중에서 가장 중요한 것은 PuO₂이다. PuO₂는 금속 플루토늄이 공기 중의 산소와 반응하여 만들어지며, 산업적으로는 탄산 플루토늄(IV)(Pu(CO₃)₂)이나 옥살산플루토늄(IV)(Pu(C₂O₄)₂·6H₂O)을 열 분해시켜 얻는다. 진한 노랑색 결정으로, 녹는점이 2400^oC이며 밀도는 11.5g/cm³이다. 금속 플루토늄(19.86g/cm³)보다 밀도가 월등히 작아 금속 플루토늄이 산화되면 부피가 40%나 증가한다. F^-가 첨가된 진한 질산에 녹는다. ²³⁹PuO₂는 UO₂와 함께 핵 반응로의 혼합산화물(MOX) 연료로 사용되며, ²³⁸PuO₂는 플루토늄 원자력 전지의 연료로 사용된다. PuO(검정색)와 Pu₂O₃(검정색)는 금속 플루토늄과 산소와의 반응에서 PuO₂와 함께 생성된다. 또 PuOCl를 칼슘으로 환원시키면 PuO를 얻을 수 있다.

할로겐화물
플루토늄의 할로겐화물은 PuF₆, PuF₅, PuF₄, PuX₃(X=F, Cl, Br, I)가 알려져 있다. 이들의 구조는 대부분 대응하는 넵투늄 화합물의 구조와 같다. PuF₆는 PuF₃, PuF₄, 또는 PuO₂를 F₂와 같은 강력한 플루오르화 시약과 반응시켜 만들 수 있다. 적갈색이고, 녹는점은 52^oC, 끓는점은 62^oC이다. 부식성이 아주 강하고, 자체에서 방출되는 방사선에 의해 쉽게 분해된다. 520nm 이하의 레이저 광을 쪼이면 PuF₅와 F₂로 분해되고, 더 오래 쪼이면 PuF₄로 분해된다. PuF₅는 PuF₆의 기체상 광 분해로 얻을 수 있으며, 흰색 고체이다. PuF₆와 PuF₅는 레이저를 이용하여 ²⁴⁰Pu 오염이 적은 핵 무기용 ²³⁹Pu를 분리(농축)하는데 이용될 수 있다. PuF₄는 PuF₆의 광분해로 생성되는데, 녹는점이 1027^oC인 적갈색 단사정(monoclic) 결정이다. 1200^oC에서 Ba, Ca, 또는 Li과 반응시키면 금속 플루토늄으로 환원된다. PuF₃는 Pu³⁺ 용액에 F^-를 첨가하면 침전(용해도 곱 상수 2.4x10^-16)으로 얻어지며, PuO₂를 수소 존재 하의 HF에서 가열해도 얻어진다. 보라색 결정으로 녹는점은 1396^oC이며, 핵 무기에서 핵 분열 연쇄반응이 개시되는 부분에 주로 쓰이는 플루토늄-갈륨 합금을 얻는데 사용될 수 있다. PuCl₃(녹색, 녹는점 767^oC)와 PuBr₃(녹색, 녹는점 681^oC)는 플루토늄의 수소화물을 각각 HCl과 HBr와 가열하면 얻어지며, PuI₃(녹색, 녹는점 777^oC)는 금속 Pu를 HI와 가열하면 얻어진다.

기타 화합물과 합금
플루토늄의 수소화물(hydride)로는 PuH₂와 PuH₃가 알려져 있는데, 주로 비화학양론적 화합물로 얻어진다. PuH₂는 금속 Pu를 1기압, 100~200^oC에서 수소(H₂)와 반응시키면 쉽게 얻어지는데, 보통 PuH₂~PuH_2.7의 조성을 갖는다. 과량의 수소와 반응시키면 PuH₃가 생성되는데, 이는 PuH_2.7~PuH₃의 조성을 갖는다. 금속 Pu를 200~300^oC에서 습한 공기와 반응시키면 표면에 Pu₂O₃와 함께 수소화물이 생성되는데, 표면에 있는 수소화물은 금속 플루토늄 산화에 대한 촉매로 작용한다. 플루토늄의 옥시할로겐화물(oxyhalide) PuOCl, PuOBr, PuOI도 알려져 있다. 금속 Pu를 낮은 압력의 비활성 기체 하에서 붕소(B) 분말과 반응시키면 붕소화물(PuB_x, x=1, 2, 4, 6 등)이 생성된다. 또 PuO₂를 고온에서 흑연 또는 탄화수소와 반응시키면 탄화플루토늄(PuC와 Pu₂C₃)이 생성되는데, 이것과 탄화우라늄의 혼합물(uranium-plutonium carbide, UPuC)은 고속 증식로의 연료로 사용할 수 있다. 또한, 플루토늄은 규소와 규소화물(PuSi₂)을 만든다.

플루토늄은 대부분의 금속과 합금, 또는 금속간 화합물을 만드는데, 이들은 핵 무기 제작과 핵 연료로 널리 사용된다. Pu-Ga, Pu-Al, Pu-Ga-Co, Pu-Zr, Pu-Ce, Pu-Ce-Co, Pu-U, Pu-U-Ti, Pu-U-Zr, Th-U-Pu 등 여러 합금들이 연구되었거나 사용되고 있다.

생물학적 역할, 독성, 주의 사항

플루토늄은 생물학적 역할이 없으며, 방사성 독성 물질이다. 핵 시설, 핵 무기 제작 시설, 연구실, 지하 핵 폐기물 저장 시설을 제외하면 많은 양을 접촉할 가능성은 없다. 핵 발전소 사고나 대기권 핵 실험 등으로 상당량이 환경으로 유출되어 보통 사람의 체내에 원자 몇 개는 들어있는 것으로 여겨진다. 산화플루토늄(PuO₂)이 체내로 들어가면 단지 0.04%만 흡수되는데, 주로 골수에 농축된다. 장기간 노출되면 골수암을 유발할 수 있다. 플루토늄이 들어있는 공기를 호흡하면 더욱 위험한 것으로 여겨지고 있다. 플루토늄은 ‘가장 위험한 독극물’로 가끔 소개되는데, 많은 전문가들은 사실이 아닌 것으로 판단하고 있다. 2003년 자료에 따르면, 플루토늄 노출로 사망한 사람은 없다. 금속 플루토늄 분말은 자연 발화할 수 있고, 덩어리도 습한 공기에 노출되면 불이 날 수 있으므로 플루토늄을 취급하거나 저장할 때는 건조한 비활성 기체 기류 하에서 하는 것이 필요하다.

플루토늄을 다루는 모습.

1. 수치로 보는 플루토늄

   플루토늄은 20가지의 동위원소가 알려져 있는데, 가장 흔한 것은 ²³⁹Pu이며, 이의 반감기는 24,100년이다. 가장 안정한 동위원소는 ²⁴⁴Pu이며, 이의 반감기는 8,080만년이고 표준 원자 질량은 244.0642 g/mol이다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶5f⁶7s²([Rn]5f⁶7s²)이다. 동소체는 7가지가 알려져 있다. 녹는점은 640^oC, 끓는점은 3230^oC이며, 20^oC에서 밀도는 19.86g/cm³이다. 녹음열과 증발열은 각각 2.82 kJ/mol과 333.5 kJ/mol이다. 화합물에서는 +3~+7의 산화상태를 갖는데, +4상태가 가장 안정하고 흔하다. 첫 번째 이온화 에너지는 584.7 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.28이다. 전기 비저항은 0^oC에서 1460 nΩ·m이고 열전도도는 6.74 W·m^-1·K^-1이다. 원자반경은 159pm이고, 6배위된 Pu⁴⁺의 이온반경은 86pm, Pu³⁺의 이온반경은 100pm이다. 산성 수용액에서 Pu⁴⁺/Pu와 Pu³⁺/Pu의 표준 환원전위(E^o)는 각각 -1.25V와 -2.00V이다. 전세계 연간 생산량은 50톤 이상으로 여겨지며, 1000톤 이상이 핵 폭탄 또는 금속 막대로 비축되어 있는 것으로 짐작된다.

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.