우라늄(Uranium)

[管韻]

우라늄(Uranium)

악티늄족 원소의 일종으로, 원자번호 92번.

천연에 존재하는 방사성 원소(放射性 元素)의 하나. 결정구조는 사방정계이며 공간군은 Cmcm.자연에 존재하는 원소 중 원자번호가 가장 큰 원소이다.

2. 역사

1789년 독일의 화학자 M. H. 클라프로트에 의해서 피치블렌드중에 함유되어 있음을 발견하여 1781년 토성의 바깥쪽에서 발견한 새 행성 Uranus(천왕성)에서 따서 명명되었다. 홑원소물질로 처음으로 분리한 것은 1842년 프랑스의 E.M.펠리고이다. 또 프랑스의 A.베크렐은 우라늄화합물이 흑색종이를 통과해서 사진 건판을 감광시키는 사실에 주목하여 방사능(放射能)을 발견했다.

3. 특징

우라늄은 전성과 연성이 풍부한 은색 금속으로, 방사능을 가지고 있다. 우라늄은 반응성이 커 금속 상태는 물론 이산화물 상태에서도, 특히 분말상일 때는 쉽게 불이 붙는다. 참고로 플루토늄도 비슷하다. 우라늄은 예전부터 이미 발견되어 있었지만 위험한 물질이라고는 여겨지지 않았고, 여러가지 상업용도를 가지고 있었다. 예를 들면 도자기나 유리에 산화 우라늄을 넣어 자외선이 닿을때 선명한 황록색의 빛을 발하게 만드는 것 등이 있었다. 우라늄 자체도 화학적 형태에 따라 다양한 색을 나타낸다. 모스 경도는 6이다.

자연계에 몇 가지의 동위원소가 존재하며, 99.284%는 우라늄-238이고 핵연료로 쓸모있는 우라늄-235는 0.7% 남짓하다. 주된 이유는 둘의 반감기 차이. 238(약 45억 년)보다 235(약 7억년)의 반감기가 훨씬 짧아 자연계에서는 이미 대부분의 235가 붕괴해 없어져 버렸기 때문이다.

핵연료로 쓰이는 물질이라 희소한 자원일 것 같지만 그건 플루토늄이고, 사실 우라늄은 방사성 원소 중에서는 비교적 흔한 물질이라, 지각에 주석 만큼이나 풍부하다. 때문에 의외로 저렴한 편이다. U3O8의 형태로 팔리는데, 시세는 2016년 1월 현재 대략 파운드당 35달러, 그러니까 U3O8 kg당 8만원 정도 하는 셈이다. 때문에 천조국이 날탄이나 전차 장갑에 아낌없이 열화우라늄을 쓸 수 있는 것. 물론 핵연료로 쓸모가 있는 235로 한정하면 희소성이 크게 올라간다. 참고로 방사성 원소들 중에서 가장 흔한 것은 토륨이다.

3.1. 핵무기

1945년, 히로시마에 투하된 원자폭탄 '리틀 보이'는 우라늄을 이용한 것이다. 이 폭탄으로 5만채 이상의 건축물이 파괴되고 7만 5천명 이상의 시민이 죽었다. 현재 우라늄의 대부분은 원자력 발전용으로 사용되고 있다. 이러한 핵분열을 하는 우라늄은 235U로 자연계에 존재하는 235U의 양은 우라늄 전체의 0.7%에 불과하지만 235U 덩어리가 이상적인 조건에서는 최소 15kg, 어떤 조건에서든 40kg 이상이 좁은 범위에 모이면 연쇄반응을 시작하는 성질이 있다. 235U의 연쇄반응은 고속중성자와 저속중성자를 막론하고 가능하며 각 반응수단에 따라 제어가 비교적 용이하기 때문에 원자로 및 원자폭탄을 만들 수 있으며, 특히 현재 기술로 안정적인 원자로를 가동할 수 있는 거의 유일한 방사성 동위원소이기도 하다.

채굴 및 농축

일반적인 원자로(경수로)에서는 235U의 농도가 일정 수준을 넘어야 하기 때문에, 일단 광산에서 캐서 정광으로 만든후, 이 정광을 육플루오린화우라늄(UF6) 기체로 변환시킨 후, 농축(enrichment)하여 235U의 농도를 높인다. 농축방법으로는 기체의 확산 속도가 분자량에 따라 차이가 난다는 것을 이용한 기체확산법(멤브레인법), 동위원소 질량차를 이용한 원심분리기법, 전자에너지 준위라든가 적외선 흡수 스펙트럼을 사용하는 레이저 농축등이 있는데, 대다수 농축공장에서는 가스확산법을 사용하거나, 혹은 좀더 개량된 방법인 원심분리기법을 사용한다. 농축후 남은 우라늄을 가리켜 열화우라늄이라고 한다. 농축이 끝난 우라늄을 세라믹 형태로 가공하여 이걸 원자력 발전소까지 배달하는 걸 가리켜 선행핵주기(front end fuel cycle) 또는 열린 핵연료 주기라고 부른다. 사실 후행핵주기(핵연료 재처리)까지 포함하면 더 길게 되지만, 간단하게 한다면 이게 끝. 이건 일반적인 경수로의 핵연료 주기고, CANDU라든가 Magnox같이 천연우라늄을 사용하는 원자로(중수로)의 경우엔 농축공정이 필요 없이 정광을 변환한 후 성형하여 집어넣으면 끝. 물론 이들 원자로도 농축해서 넣으면 원자로 효율이 증가하지만 말이다.

당연하지만 우라늄 농축공정은 플루토늄 생산과 마찬가지로 매우 민감한 사항이라, 다른 국가에서 농축공장을 짓는다고 하면 이런 국가들에서 노발대발한다. 이란이 농축공장 짓는것에 대해서 미국이 과민반응 하는걸 보면 잘 알수 있을듯. 그 때문에 대한민국에선 정광을 사와서 해외에 맡긴후에 농축된 우라늄을 다시 국내에서 연료로 가공하여 사용하는 뻘짓 여러모로 복잡한 방법을 쓰고 있다. 현재 북한이 원심분리기를 가지고 미국과 협상하고 싶어 하는듯하다. 그도 그럴것이, 플루토늄 생산과 다르게 우라늄 농축때는 우라늄과 전기만 있으면 끝이기 때문에 몰래몰래 만들수 있다. 플루토늄의 경우엔 연료봉을 녹여야 되기에 녹이는 과정에서 방사성 물질이 펄펄 날아가서 금방 들키는 단점이 있다.

당연히 고농축 우라늄은 핵무기로의 전용이 가능하므로 미국 등 국제사회에서 대단히 민감하게 반응하는 요소이기도 하다. '핵 없는 세상'이라는 슬로건을 내걸은 버락 오바마 미국 대통령이 핵무기와 핵물질 감축을 목표로 2010년에 핵안보정상회의를 제안하여 국제적으로 이에 대한 논의를 진행하고 있으며, 한국에서 2012년에 열렸던 2차 정상회의에서는 무기로 전용될 수 있는 고농축 우라늄을 사용하는 연구용 원자료를 저농축 원자로로 전환하기로 국제적 합의를 이끌어 내기도 했다.

기타 용도

고고학이나 지질학에서도 사용된다. 238U (반감기 44억 6800만년)이 알파붕괴를 하면서 토륨-234이 되며, 그 때의 핵분열 흔적(fission track)이 유리질 광물(흑요석 등)에 남는데 이를 통해 연대를 측정할 수 있다. 단 우라늄의 반감기가 너무 길기 때문에 측정할 수 있는 최소 연대는 20만년 이상이며, 90만년 이상 되었다면 오차는 거의 없이 정확히 나온다.

과거에 우라늄을 포함한 도료가 주황색 페인트에 함유되었던 적이 있었다. 당시 사람들은 이유도 모르고 그 페인트로 칠해진 그릇에 음식을 담아먹다가 불쌍하게도 암 등의 질병으로 사망하였다. 방사능이 그렇게 강한 핵종은 아니지만, 일단 우라늄도 중금속이란 점을 알아두자. 그리고 음식이 산성일 경우엔 페인트의 성분이 음식에 녹아들수 있다는 것은 상식이다. 인체는 방사선 원소에 대한 어떠한 내성도 없다.

덤으로 우라늄 유리 혹은 바셀린 유리가 있다. 위에서도 설명했듯이 우라늄 유리는 0.01%의 산화 우라늄을 유리에 넣은 유리로, 우라늄이 발견된 이후 만들어온 전통있는 유리다. 우라늄 유리는 자외선을 받으면 사진처럼 초록색으로 변하게 되는 일종의 형광유리이다. 절대 야광 유리가 아니다!

3.4. 위험성

우라늄도 방사선을 내뿜긴 내뿜지만, 실생활에서는 오히려 화강암 지질구조를 가진 지역의 오래된 지하실에서 환기안하고 살거나 골초거나 혹은 러시아 정부를 비판하거나 이온식 화재경보기의 감지기 부분을 먹거나(...) 시계는 자체 발광 야광시계와 더불어 가스등을 사용하는 것이 더 많이 방사능을 내뿜는다. 저런 예들을 생각해서 우라늄 하나에만 겁먹을 필요는 없다. 물론 저 유리에 가이거 계수관을 갖다 대면 삑삑거린다. 그리고 미국에선 천연 우라늄을 15파운드까지 개인이 소지하는건 엄연히 합법이다. 그냥 당장 아마존닷컴만 들어가도 238U을 구입할 수 있다. 상품평란에선 관련 개드립이 넘쳐난다. 대한민국에서도 핵물질 수입요건 확인서를 제출하면 구입할 수 있다. 덤으로 천연 우라늄의 방사능은 낮은 축으로, 천연 우라늄 연료를 원자로에 장전하기 전까진 차폐를 안하던가, 엄청 얇은 정도로만 한다. 물론 농축 우라늄의 경우 얄짤없이 차폐정도는 매우 올라간다. 그러나 직접 닿게 된다면, 자연 방사선보다 엄청난 양의 방사선을 피폭받을수 있다. 대충 2.6cm짜리 우라니나이트(피치블렌드)를 손에 올려두면 2mSv/hr를 받는다고 치면, 대한민국 평균 환경방사능이 240 nv/hr 정도이니 평소의 1만배 정도의 피폭을 받을수 있다. 그렇지만 천연우라늄에서 나오는 방사선은 알파선인지라 먹지만 않으면 크게 상관은 없다.

그리고 덤으로, 사람의 몸 안에도 음식에서 비롯된 우라늄이 소량은 있다. 그러나 다른 원소들과 같이 엄청 듣보잡 수준이니 안심할 수준.

구글 이미지검색에 영어로 우라늄을 검색하면 각종 질환에 걸린 사람들의 사진이 나오지만, 방사선에 의한 돌연변이라는 증거는 없다. 다이옥신등의 화학물질 일수도 있고, 애초 원래 자연 발병일 수도 있다. 그리고 간간히 우라늄 유리에 대한 사진들도 보인다.

4. 기타

북한에 우라늄이 4백만 톤 이상, 세계 매장량의 5배(것도 최상급)가 묻혀 있다는 소문이 있다. 하지만 이는 확실한 근거가 없을 뿐더러, 소문의 원 발상지로 추정되는 자료 중 하나는 북한발 선전 자료이다.. 상식적으로 우라늄이 북한 같은 손톱만한 땅에 호주의 20배 가량이 묻혀있다는 것은 말이 안 된다. 현재 가행되는 북한 우라늄 광산은 황해북도 평산군에 있다. 평산역 북동쪽 3.5km에 위치한 평산 광산. 최근 잇따른 핵실험으로 인해 우라늄 광산이 고갈되었다는 뉴스도 있다.

캐나다에서는 우라늄 시티란 곳이 있다. 그 지역 근처의 우라늄 광산에서 일하던 사람들이 살던 곳으로, 잘나갈땐 5000여명의 사람들과 더불어 CANDU 고등학교가 있었으나, 1983년 광산이 문닫으면서 현재는 89명밖에 살지 않는다...

한국에는 현재 발견된 우라늄 광산은 없지만 대전광역시~금산군~옥천군 일대에 우라늄 광체가 있는 것이 확인되어 있다. 매장량은 약 24,000톤 정도지만 품위가 낮기 때문에 채산성이 없어 아직 개발하지 않고 있다. 다만 이 때문에 그 근방 지하수에는 미량의 우라늄이 포함되어, 대략 2007년 쯤 카이스트 등의 지하수가 음용 부적합 판정을 받은 적이 있다. 유성온천이 라돈수로 유명한 것도 이 우라늄 광맥 때문.

그러던 2011년부터 2014년까지 호주의 한 채광회사가 대전 및 금산 일대의 우라늄 광체를 개발하여 그 우라늄을 20년 동안 대한민국의 원자력 발전소에 공급할 계획을 세웠었다고 한다. 물론 대전 시민, 금산 및 옥천 군민들이 반대하는건 물론 지자체에서도 불허를 내렸다고. 그도 그럴것이 보통 광산은 주변 지하수 및 생태계를 오염시키는 것은 물론 노동자들의 중금속 중독사례가 많은만큼 도시에서 멀리 떨어진 곳에 광산을 만든다. 하지만 대전이 되었든, 옥천이 되었든간에 근처에 250만(대전+청주+옥천+금산)에 이르는 인구가 있으니...

원소 기호가 로마자 한 글자로 되어 있는 원소 중 가장 원자 번호가 높은 원소이다. 우라늄보다 원자 번호가 높은 원소들은 모두 두 글자로 되어 있으며, 새로 원소를 발견할 경우 명칭 확정시 원소 기호를 두 글자로 붙여야 한다는 IUPAC의 방침이 있다고 한다.

일반적으로 악티늄족의 저명성이 바닥을 기는데 반해 우라늄은 예외적으로 저명한 원소이며, 플루토늄도 게임에서 이름을 들어보았을 것이다.

중국이 자연에서 금속우라늄을 발견했다고 한다.

각종 매체에서는 녹색 보석이나 어둠 속에서 녹색으로 빛나는 금속 형태로 묘사되는데, 실제 우라늄은 밋밋하고 투박해 보이는 회색 금속이고, 금속 우라늄이든 우라늄 화합물이든 어둠 속에서 빛나는 일은 없다.(...) 아마 실제로 우라늄을 넣어 만든 우라늄 유리에서 따 온듯. 녹색이고, 야광은 아니지만 자외선을 받으면 형광을 낸다.