원자력 시대를 연 원소, 우라늄(U)
우라늄은 수백 년 동안 도자기 유약(釉藥), 채색 유리, 타일 등을 만드는데 사용되어 왔습니다. 하지만 현재는 우라늄을 연료로 사용하는 원자력 발전이 실용화되어 이제는 세계 에너지 공급에 중요한 역할을 하게 되었죠. 우라늄은 잘 사용하면 인류에게 장기간 안정하게 에너지를 공급하는 소중한 자원이 되는 반면, 방사능 오염과 핵무기로 이용돼 위험할 수도 있는 원소입니다. 오늘은 우라늄에 대해 자세히 알아보겠습니다.
[우라늄 원석 / 사진출처: 위키피디아]
1. 우라늄이란?
[우라늄 원소기호 / 사진출처: 위키피디아]
우라늄(Uranium)은 원자번호 92번의 원소로, 녹는점 1,133℃ , 끓는점 3,818℃이며, 원소기호는 U입니다. 주기율표에서는 악티늄족에 속하며, 천연으로 얻어지는 원소 중 원자번호가 가장 큰 원소죠. 우라늄보다 원자번호가 큰 넵투늄(Np)과 플루토늄(Pu)이 천연으로 아주 미량 존재하기는 하나, 이들은 핵 반응의 부산물에서 처음 발견되었으며 주로 핵반응을 통해 얻을 수 있어요. 우라늄은 밀도가 큰 은색
고체 금속으로 독성이 매우 크며, 동위원소들은 모두 자연 방사성 원소입니다. 우라늄이란 이름은 1789년 독일의 M. H. 클라프로트가 우라늄석(피치블렌드) 속에 함유되어 있는 것을 발견하여 81년 토성의 바깥쪽에서 발견된 새 행성인 천왕성(Uranus)의 이름에서 유래되었습니다.
2. 우라늄은 어디에 쓰이나요~?
우라늄은 원자력 발전의 연료입니다. 기타 의료용, 유리․도자기 착색제 등으로 극소량이 쓰이고 있습니다. 세계원자력협회(World Nuclear Association; WNA)에 따르면 세계적으로 440기(시설 용량 3억6천8백만kWe)의 원자로가 가동 중이며, 세계전력공급의 16% 수준을 담당하고 있다고 합니다. 또한 세계적으로 35개의 원자로가 중국, 한국, 일본, 러시아 등에서 건설 중이에요.
[농축 우라늄(enriched uranium)/ 사진출처: 위키피디아]
3. 우라늄의 수요공급
[우라늄 생산지/ 사진출처: 위키피디아]
우리나라는 세계 6위의 원자력발전 설비 용량을 보유하고 있으며, 원전은 국내 전력의 약 40%를 생산하고 있습니다. 원자력 발전연료로서 2010년 우리나라 우라늄 정광 수입량은 3,987톤U(3억8천불)입니다. 우라늄은 앞으로 우라늄 광석 공급량의 제한 및 세계 우라늄 재고량의 소진 등으로 공급부족이 예상되고 있습니다. 특히 청정에너지원으로서의 관심 증대로 수요는 증가할 것으로 보입니다. 단, 2차 희석분 및 재고비축분 등으로 일정기간은 수급균형을 이룰 것으로 전망됩니다. 우라늄은 주로 산화물 형태로 생산되며, 2009년 기준으로 전세계 우라늄 생산량은 50,572톤입니다. 카자흐스탄에서 27.3%가 생산되었으며, 캐나다(20.1%), 호주(15.7%), 나미비아(9.1%) 러시아(7.0%), 니제르(6.4%) 등이에서 생산되고 있습니다.
4. 앞으로의 전망은?
2011년 후쿠시마 원전사고를 계기로 단기적으로는 원전산업은 위축될 것으로 보였으나 장기적으로는 원전에 대한 의존도가 크게 낮아지지는 않을 전망입니다. 기후변화협약에 따른 탄소배출 문제를 해결하는데 원전이 불가피한 대안이기 때문이죠. 원자력발전은 이산화탄소 배출이 거의 없는 청정에너지원으로석탄발전 대비 약 1억 4천만 톤의 이산화탄소 배출 저감효과가 있어요.
[Watts Bar Nuclear Generating Station/ 사진출처: 위키피디아]
예를 들어 우라늄 1천 톤의 양은 화석연료 1억6천만 톤으로 생산하는 전력량과 같습니다. 이때 화석연료의 탄소배출량은 3,300만 톤에 달합니다. 우라늄 정광(Yellow cake) 1파운드에 포함된 에너지는 석유 4,926리터, 석탄 10톤의 양과 맞먹는다고 합니다. 생산원가 면에서도 석유, 가스는 원자력이나 석탄에 비해 거의 5배 이상 가격이 비싸다고 해요.
우라늄은 많은 에너지를 생산한다는 큰 장점을 지니고 있지만,
인체에 축적돼 나쁜 영향을 줄 수 있다는 단점 때문에 많은 논란이 되고 있는 원소입니다.
앞으로 우라늄은 우리 생활 속에서 어떻게 사용될까요~?
원자력 시대를 연 원소, 우라늄
천연 원소 중에서 원자번호가 가장 큰 원소.
원자력 발전, 핵무기 등에 쓰인다.
우라늄은 수백 년 동안 도자기 유약(釉藥), 채색 유리, 타일 등을 만드는데 사용되어 왔다. 그러다가 1930년대 말에 우라늄-235과 플루토늄-239의 연쇄 핵분열 현상이 발견되었는데, 이는 곧 핵폭탄 개발로 이어졌고, 1945년 일본에 핵폭탄이 투하되어 수많은 인명이 살상되는 비극을 초래하였다. 이후 동서 냉전 시대에 핵무기 개발 경쟁이 심화되는 한편, 우라늄을 연료로 사용하는 원자력 발전이 실용화되어 이제는 세계 에너지 공급량의 6%, 전력 생산의 13~14%를 차지하게 되었다. 우라늄은 잘 사용하면 인류에게 장기간 안정하게 에너지를 공급하는 소중한 자원이 되는 반면, 잘 못쓰면 방사능 오염과 핵 무기로 인류를 파멸에 이르게 할 수 있다.
원자번호 92번, 우라늄
우라늄(Uranium)은 원자번호 92번의 원소로, 원소기호는 U이다. 주기율표에서는 악티늄족 에 속하며, 천연으로 얻어지는 원소 중 원자번호가 가장 큰 원소이다. 우라늄보다 원자번호가 큰 넵투늄(Np)과 플루토늄(Pu)이 천연으로 아주 미량 존재하기는 하나, 이들은 핵 반응의 부산물에서 처음 발견되었으며, 주로 핵 반응을 통해 얻는다. 우라늄은 밀도가 큰 은색 고체 금속으로 독성이 매우 크며, 동위원소들은 모두 자연 방사성 원소이다.
우라늄은 지구 껍질에 평균 약 2.3 ppm(0.00023%) 농도로 들어있으며, 은(Ag), 수은(Hg), 주석(Sn)보다 풍부한 원소이다. 주된 우라늄 광석은 섬우라늄광(uraninite: UO2)과 이의 일종인 피치블렌드(pitchblende: 역청우라늄광, UO3, U2O5)이다. 이외에도 우라늄을 포함하는 광물들로 인회우라늄광(autunite, Ca[UO2(PO4)]2∙10~12 H2O)과 카르노타이트(carnotite: K2(UO2)2(VO4)2∙1~3 H2O) 등이 있다. 바닷물에는 1 m3당 대략 3.3 mg의 우라늄이 녹아있다.
우라늄 화합물인 천연 산화우라늄은 고대 로마시대부터 도자기 유약에 노란색을 넣고 노란색 유리를 만드는데 사용되어왔으나, 현대에는 주로 원자력(핵) 발전과 핵 무기 제조에 사용된다. 천연 우라늄의 0.72%를 차지하는 우라늄-235(235U, 143개의 중성자가 있어 원자 질량이 235인 우라늄 동위원소)는 천연 동위원소들 중에서는 유일하게 핵분열 될 수 있다. 그러나 우라늄을 원자력 발전이나 핵무기에 사용하기 위해서는 235U의 비율을 높게 농축시켜야 한다. 천연 우라늄의 99.27%를 차지하는 우라늄-238(238U)은 그 자체가 핵분열되지는 않으나, 원자로에서의 핵 반응을 통해 플루토늄-239(239Pu)로 변환되며 239Pu는 235U와 마찬가지로 핵분열이 된다. 이 때문에 우라늄 원자로에서 나오는 폐연료를 재처리하여 239Pu 을 얻고 이를 원자력 발전과 핵무기에 사용할 수 있다. 제2차 세계대전 때 일본 히로시마에 투하된 원자폭탄은 농축 우라늄을 사용한 것이고, 나가사키에 투하된 원자폭탄은 폐연료를 재처리하여 얻은 플루토늄을 사용한 것이다.
우라늄과 이에서 만들어지는 플루토늄은 원자폭탄을 만드는 것 외에도, 원자력 발전으로 전력을 공급하는데 사용된다. 원자력 발전은 세계 에너지 생산의 6%, 전력 생산의 13~14%를 차지하며, 우리나라의 경우 발전량의 40%를 차지한다. 이론적으로는, 1kg의 235U는 석탄 3,000톤이 탈 때 내는 에너지와 같은 양의 에너지를 낼 수 있다. 그러나 최근 일본의 후쿠시마 원자력 발전소 사고에서 보듯이 원자력 발전소의 사고는 엄청난 재앙을 가져올 수 있으며, 발전 과정에서 나오는 방사성 폐기물의 처리와 보관도 어려운 실정이다. 또 몇몇 나라는 핵무기를 개발하고 확충하려는 의욕을 여전히 갖고 있어, 세계 평화의 심각한 저해 요소가 되고 있다.
우라늄의 발견과 역사
우라늄은 1789년에 독일 화학자 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth, 1743~1817)에 의해 피치블렌드에서 처음 발견되었다. 이 광석은 당시에는 아연(Zn), 철(Fe), 텅스텐(W) 산화물의 혼합물로 여겨지고 있었다. 클라프로트는 피치블렌드를 질산에 녹인 후 가성소다로 중화시켜 노란색 침전을 얻었는데, 그는 이 침전을 어떤 새로운 원소의 산화물로 생각하고는 숯과 함께 가열하여 검은색 가루를 얻었다. 그는 이 가루를 새로운 금속(실제는 우라늄 산화물임)으로 생각하고, 이보다 8년 전에 새롭게 발견된 행성인 천왕성(Uranus, uranus는 그리스 신화에서 하늘 신의 이름)의 이름을 따서 우라늄(uranium)이라 명명하였다. 1841년에 프랑스 화학자 페리고(Eugene-Melchior Peligot, 1811~1890)가 사염화우라늄(UCl4)을 포타슘(K)과 반응시켜 금속 우라늄을 처음으로 얻었다.
피치블렌드와 같은 섬우라늄 광석에 들어있는 천연 우라늄 산화물은 고대 로마시대부터 노란색 도자기 유약으로, 그리고 채색 유리를 만드는 첨가물로 사용되었다. 중세 후반에는 현재의 체코공화국 요하임스탈(Joachimsthal)에 있는 은 광산에서 채광된 피치블렌드가 유리 공장에 공급되었다. 1898년에 퀴리 부부에 의해 우라늄 광석에서 라듐(Ra)이 분리∙발견되고 라듐이 여러 용도로 활용되면서부터는 우라늄 광석은 주로 라듐을 얻는데 사용되었다.
1896년에 베크렐(Antoine Henri Becquerel, 1852~1908)은 우라늄에서 방사성 성질을 발견하였다. 1932년에 중성자가 발견한 이후, 여러 물리학자들은 중성자를 핵과 충돌시켜 핵반응을 유도하는 연구를 하였는데, 이중 한 사람이 이탈리아의 페르미(Enrico Fermi, 1901~1954)이다. 그는 1934년에 우라늄에 중성자를 때리면 베타선이 나오는 것을 관찰하였는데, 이를 원자번호가 93과 94인 새로운 원소가 생성된 것으로 잘못 판단하였다. 1938년에 독일의 오토 한(Otto Han, 1879~1968)과 프리츠 슈트라스만(Fritz Strassmann, 1902~1980)은 235U에 중성자를 때리면 바륨(Ba, 원자번호 56)의 동위원소가 생기고 많은 양의 에너지가 나오는 핵분열 현상을 발견하였다. 원자력 발전과 원자 폭탄의 바탕이 되는 핵 연쇄반응(한 핵이 분열할 때 나오는 중성자가 다른 핵을 다시 분열시키는 핵반응)의 아이디어는 1933년에 헝가리 태생의 유대인 실라르드(Leo Szilard, 1898~1964)가 처음 내놓았는데, 이후 1939년에 실라르드와 페르미가 중성자 충돌에 의해 우라늄 원자핵 1개가 분열할 때마다 매회 평균 2.5개의 중성자가 나온다는 사실을 발견하면서 그 가능성이 확실해졌다. 1942년에는 우라늄의 연쇄 핵반응을 일으키는 최초의 원자로가 미국 시카고 대학에 설치되었다.
이 즈음에 독일은 히틀러가 집권하여 유대인을 박해하였고, 많은 유대인 핵물리학자들이 외국으로 망명하였다. 1939년 9월에 독일의 폴란드 침공으로 제2차 세계대전이 발발하자, 연합국이 독일보다 먼저 핵 무기를 개발하여야 한다고 믿고는, 망명 유대인 과학자들이 주축이 되어 1939년 12월에 미국의 루즈벨트 대통령에게 원자폭탄 개발연구 프로그램을 시행할 것을 청원하였다. 원자폭탄 개발 사업인 맨해튼 계획(Manhattan Project)이 본격적으로 출범한 것은 일본의 진주만 공격 다음해인 1942년이다. 이 사업은 최초의 국가 주도 초대형 연구∙개발 사업으로, 이에 의해 제조된 원자폭탄은 1945년 8월 6일에 일본의 히로시마에, 그리고 8월9일에 일본의 나가사키에 투하되어 제2차 세계대전의 종식을 가져온 반면 수십만 명이 사망하고 많은 사람들이 피해를 입어 평생 동안 고통에 시달려야 했다. 히로시마에 투하된 폭탄은 ‘꼬마 소년(Little Boy)’이라는 암호명의 우라늄 폭탄이었고, 나가사키에 투하된 폭탄은 ‘뚱보(Fat Man)’라는 암호명의 플루토늄 폭탄이었다.
전쟁 종료 후 미국과 구소련을 비롯한 여러 나라는 핵 무기 개발 및 확충 경쟁을 하는 한편, 원자력의 평화적 이용에도 노력한 결과 1951년에 최초의 원자력 발전이 미국에서 선보였다. 상업용 원자력 발전은 1954년에 구소련에서 시작되었고, 영국에서는 1956년에, 미국에서는 1958년에 시작되었다. 우리나라에서는 1978년 4월에 고리원전 1호기가 첫 원자력 발전을 시작하였다.
우라늄의 화학적 성질
우라늄 금속은 거의 모든 비금속 원소와 반응하며, 온도가 높을수록 반응성이 커진다. 알칼리와는 잘 반응하지 않으나, 산과는 잘 반응한다. 예로 진한 염산(HCl)과 잘 반응하여 물에 녹지 않는 검은 침전을 만들며, 진한 질산(HNO3)에서는 부동화되나 플루오르화 이온(F-)를 첨가하면 잘 녹는다. 끓는 물이나 수증기와 반응하면 표면에 산화물을 만들고 수소 기체를 내어 놓는다. 공기 중에서는 표면에 산화물 피막이 생성된다.
우라늄 원자는 비활성 기체 원소인 라돈(Rn)에 비해 6개의 전자를 더 갖고 있으며, 이의 바닥 상태 전자배치는 [Rn]5f36d17s2이다. 수용액에서 가장 안정한 산화상태는 +6이나, 산화수가 +5, +4, +3인 화합물과 이온들도 흔히 관찰된다. 수용액에서는 적갈색의 U3+, 녹색의 U4+, 노란색의 우라닐 이온(UO22+)으로 있을 수 있다. 이외에 UO2+ 도 존재하기는 하나, 불안정하다.
우라늄의 용도
퀴리 부부가 우라늄광인 피치블랜드에서 라듐을 발견하기 전까지는 우라늄의 용도가 노란색 유리, 도자기 유약, 여러 색의 타일을 만드는데 쓰이는 정도였다. 그러나 라듐이 발견되고 이를 야광 페인트와 방사선 치료에 사용하면서 라듐을 얻기 위해 우라늄광이 채굴되고, 그 결과 엄청난 양의 우라늄 폐기물이 쌓이게 되었다. 1930년대 말에 우라늄의 연쇄 반응이 발견된 후로 우라늄은 주로 원자폭탄 제조와 원자력 발전의 연로로 쓰이고 있다.
과거 냉전 시대에는 우라늄(이에서 생산되는 플루토늄 포함)이 핵무기 제조에 가장 많이 사용되었고 또 이를 위해 비축되었으나, 핵 무기 확충 경쟁이 거의 끝난 지금에는 대부분이 원자력 발전 연료로 이용된다. 원자력 발전은 전세계 에너지 공급량의 약 6%, 전력 생산량의 13~14%를 차지하며, 우리나라의 경우에는 전력 생산의 약 40%를 차지한다.
그러나 1986년 소련의 체르노빌, 그리고 2011년 일본의 후쿠시마 원전사고 등으로 원자력 발전의 안전성이 크게 문제가 되었다. 또 원자력 발전 과정에서 나오는 각종 방사성 폐기물의 저장과 처리, 그리고 핵 확산 우려 등이 문제시되고 있다. 안전성을 개선시키는 연구가 계속되고 있으며, 미래에는 핵 융합이 대안이 되어야 할 것으로 여겨 이에 대한 연구도 진행 중이다.
농축 우라늄을 생산하고 남은 감손우라늄(열화우라늄)은 전차나 탱크의 장갑판과 또 두꺼운 장갑을 뚫을 수 있는 관통자(열화우라늄 탄환)로 사용되며, 방사성 물질을 저장하고 운반하는 용기, 방사선의 차폐제, 항공기나 미사일의 항법 장치 등에 이용된다. 그리고 여러 우라늄 화합물들이 사진 토너로, 그리고 가죽과 나무를 염색하는데 사용되었다. 아세트산우라닐(UO2(CH3COO)2)과 폼산우라닐(UO2(HCOO)2)은 전자 현미경에서 염색 시약으로 사용된다. 화성암에 들어있는 우라늄은 지질 연대 측정에 이용되며, 금속 우라늄은 큰 에너지의 X-선을 내는데도 사용된다.
우라늄이 인체에 미치는 영향
우라늄은 비록 방사성 원소이기는 하나, 반감기가 아주 길어 약한 방사선을 내며, 나오는 방사선도 투과성이 작은 α-입자이기 때문에 방사선에 의한 위험은 작은 편이다. 그러나 우라늄의 붕괴나 핵분열에서 생기는 라돈, 스트론튬-90, 아이오딘-131 등은 강한 방사성 물질로 이에 노출되면 상당한 건강의 위협을 받는다. 한편, 금속 우라늄은 화학적으로 독성이 큰데, 이는 몸 안으로 들어온 우라늄이 우라닐 이온(UO22+)이 되고 이것이 뼈, 신장, 간 등의 생식 조직에 축적되어 이들의 기능을 저해할 수 있기 때문이다.