플루토늄

방사성 원소로서 악티늄 계열에 속하는 플루토늄은 은회색 금속으로 공기 중에서 산화되면 변색되어 칙칙한 색의 막을 형성한다. 6개의 동소체가 존재하며, 4가지의 산화 상태를 가질 수 있다. 탄소, 할로젠 원소, 질소, 규소, 수소 등과 반응하며, 습한 공기에 노출되면 부피가 70 %까지 더 증가된 산화물과 수화물을 형성하고, 이들이 가루로 벗겨지면 자연 발화한다.

플루토늄은 1940년에 최초로 입자가속기(cyclotron)에서 우라늄-238에 중양자(deuteron, 중수소 원자의 핵)를 충돌시켜 얻었는데, 먼저 생성된 넵투늄-238(반감기 2.1일)은 베타-붕괴를 거쳐 플루토늄(반감기 87.7년)이 형성된다. 우라늄과 넵투늄이 각각 천왕성(Uranos)과 해왕성(Neptune)의 이름으로부터 유래하였듯이, 플루토늄도 예전에 태양계의 행성으로 여겨졌던 명왕성(Pluto)의 이름을 따서 명명되었다.

2차 세계 대전 중 맨하탄 프로젝트(Manhattan project)의 중점 과제로 플루토늄의 대량 생산이 처음으로 이루어졌고 이를 이용하여 1945년 8월 9일 일본 나가사키에 투하된 최초의 원자 폭탄이 개발되었다.

플루토늄은 뼈에 축적될 수 있는 위험한 방사성 금속이므로 취급에 매우 유의하여야 하며, 원자력 발전소 그리고 핵폭탄 분해 시 발생되는 플루토늄 폐기물은 환경의 재앙적 위험이 되고 있다.

무기(weapon)급 99.96 % 정제된 플루토늄 고리 ()

목차

1934년 이탈리아의 로마 대학에서 페르미(E. Fermi)의 연구팀이 원자번호 94번에 해당되는 새로운 원소를 발견했다고 발표하였고 이를 이탈리아의 또 다른 이름인 'Hesperia'에서 따와 헤스페륨(Hesperium)으로 명명하여 1938년의 노벨 강연에서 언급하였다. 그러나 사실은 이것이 바륨과 크립톤을 비롯한 여러 원소의 혼합물이었다.

1940년 시보그(G. T. Seaborg)가 이끄는 염구팀이 버클리 방사선 연구소(Berkeley Radiation Laboratory)에서 플루토늄-238을 최초로 생산 및 분리하였고 이듬 해 화학적으로 확인하였다. 1940년 입자가속기 실험에서 우라늄-238에 중양자를 충돌시켜 얻어진 넵투늄-238이 2.1일의 반감기를 지나 베타-붕괴하여 원자번호 94의 새로운 원소로 변환되는 것을 발견하였다.

원래 이에 관한 논문을 1941년 논문(Physical Review)으로 투고하였으나, 보안상의 이유로 실제 발간은 2차 세계 대전 이후로 미뤄졌다. 영국 캠브리지(Cambridge)의 캐번디쉬 연구소(Cavendish Laboratory)에서도 우라늄 중성자 반응기에서 이론적으로 플루토늄-239가 부산물로 생성될 수 있다는 것을 알아내었다.

시보그 연구팀의 맥밀란(E. McMillan)이 첫 번째 초우라늄 원소 넵투늄(Neptunium)을 해왕성의 이름을 따서 명명하였고 이어서 94번 원소를 다음 행성이었던 명왕성으로부터 유래한 플루토늄으로 이름지었다. 또한, 캠브리지 연구팀의 케머(N. Kemmer)도 독립적으로 버클리 연구팀과 같은 이유로 똑같은 이름을 제안하였다.

미국 시카고 대학에서 초기 연구가 비밀리에 수행되었는데, 우라늄과 섞은 플루토늄-239에서 핵분열 생성물이 생산되면서 미량의 분리된 플루토늄은 우리늄과 유사한 화학적 성질을 나타냄을 알아내었다. 플루토늄-239는 중성자와 부딪쳐 더 많은 중성자와 에너지를 발생시키며, 이들 중성자가 다른 플루토늄-239 원자와 충돌하면 엄청나게 빠른 연쇄 반응이 일어나게 된다. 결과적으로 이 플루토늄 동위원소의 양을 임계 질량(핵분열 물질이 핵 연쇄 반응의 과정에서 스스로 폭발할 수 있는 최소한의 질량)까지 농축하면 한 도시를 파괴할 수도 있는 폭발이 일어나게 되는 것이다.

2차 세계 대전 동안 미국 정부는 맨해튼 프로젝트를 계획하고 원자 폭탄을 개발하였다. 이때 수행한 세 가지 주요 연구는 플루토늄 생산, 우라늄 농축, 핵무기의 연구 개발이었다. 1944년에 반응기로부터 생산된 플루토늄을 최초로 얻어 고농도의 플루토늄-240 동위원소를 생산하였는데, 이는 중성자 수위를 올려 더 빠른 핵분열 속도를 가진다. 이후 40여 년간 원자 폭탄 연구와 원자력 발전을 위해 미국과 러시아의 플루토늄 생산 공장에서 2억 퀴리에 해당하는 방사성 동위원소가 방출되었는데 이는 러시아의 체르노빌에서 발생한 원전 재앙의 두 배에 해당하는 양으로써 오염과 사고에 대한 여러 기밀이 숨겨져 있는 것으로 논란이 되고 있다.

플루토늄은 니켈처럼 밝은 은색을 띤 금속으로, 빠르게 산화하여 녹황색이 가미된 탁한 회색을 띠게 된다. 상온에서 플루토늄은 동소체 중에서 가장 흔한 구조인 알파 형태로 존재한다. 다른 금속들과는 다르게 열이나 전기 전도성이 좋지 않다. 640 °C의 낮은 녹는점을 갖지만 끓는점은 3228 °C로 매우 높은 편이다. 녹는점 근처에서 액체 플루토늄은 점도와 표면 장력이 매우 높으며, 특이하게도 플루토늄은 녹으면서 밀도가 2.5 % 정도 증가하는데 액체 금속이 된 후 온도가 올라가면 다시 밀도가 감소한다.

플루토늄은 일반적으로 6가지 동소체를 가지며, 고온에서는 특정 압력에서 제타(ζ) 동소체로도 존재한다. 이들 동소체는 매우 유사한 내부 에너지를 갖는 반면 밀도와 결정 구조는 매우 다양하다. 이 때문에 플루토늄은 온도, 압력, 화학 반응 등에 매우 민감하여 상전이를 통해 다른 동소체로 변하여 급격한 부피 변화를 겪는다. 동소체의 밀도는 16.00~19.83 g/cm³으로 다양하다.

온도에 따른 플루토늄 동소체 형태와 밀도 변화()

플루토늄은 악티늄 계열의 방사성 금속으로 플루토늄-239는 우리늄-233/-235와 함께 주요 핵분열 동위원소에 속한다. 핵분열을 하기 위해선 동위원소의 원자핵이 중성자의 느린 움직임에 잘 분열하여야 하며, 분열할 때 핵 연쇄 반응을 유지할 수 있도록 충분한 중성자를 더 방출해야 한다. 플루토늄-239가 엄청난 에너지를 가지고 분열하여 핵무기나 원자로의 원료로 유용하며, 플루토늄-240도 핵분열 속도가 상대적으로 빨라 같은 용도의 원료로 사용될 수 있다.

20가지의 방사성 플루토늄 동위원소가 확인되었는데, 반감기가 가장 긴 것은 플루토늄-244로서 8천 80만 년이며 플루토늄-242는 373,300년이다. 나머지는 7000년 이하의 반감기를 가진다. 이들 동위원소의 질량수는 228부터 247 사이이며, 가장 안정한 동위원소인 플루토늄-244보다 작은 질량수를 가진 동위원소의 주요 붕괴 방식은 자발적인 핵분열과 알파-붕괴에 의해 대부분 92개의 양성자를 가진 우라늄과 93개의 양성자를 가진 넵투늄으로의 붕괴이다. 플루토늄-244보다 더 큰 질량수를 가진 동위원소는 베타-붕괴를 통하여 주로 95개의 양성자를 가진 아메리슘 동위원소를 형성한다.

한편, 핵 합성은 1940년 시보그 연구팀에 의해 밝혀졌듯이 플루토늄-238은 우라늄-238에 중양자를 충돌시켜 얻는다.

²³⁸₉₂U + ₂₁D → ²³⁸₉₃Np + 2 ¹₀n

²³⁸₉₃Np → ²³⁸₉₄Pu + ⁰_-1e

플루토늄 원소는 수용액에서 +3, +4, +5, +6의 4가지 산화 상태를 가지며, 간혹 +7의 상태를 가지기도 한다. 수용액에서 이들의 색은 매우 다양한데, 이는 산화 상태와 음이온이 플루토늄과 착물을 형성하는 데 영향을 주기 때문이다.

플루토늄의 산화 상태에 따라 달라지는 다양한 색상의 수용액 ()

금속 플루토늄은 테트라플루오린화 플루토늄(PuF₄)을 1200 °C에서 바륨, 칼슘, 또는 라듐과 반응시켜 생산한다. 플루토늄은 반응성이 큰 금속으로 습한 공기 중에서 산화물과 수화물의 혼합물을 형성한다. 또한, 할로젠 원소와 반응하여 다양한 트라이할로젠화 플루토늄(PuX₃, X = F, Cl, Br, I)과 테트라플루오린화 플루토늄을 생성한다. 또한, 산화 할로젠화물도 얻으며, 탄소, 질소와 각각 반응하여 플루토늄 카바이드(PuC)와 플루토늄 나이트라이드(PuN)를 그리고 규소와도 반응하여 플루토늄 실리카이드(PuSi₂)를 생성한다.

플루토늄-239의 임계 질량은 우라늄-235의 1/3 정도이므로 작은 질량으로도 큰 폭발력을 가지며, 6.2 kg의 플루토늄은 20 kton의 TNT에 맞먹는다.

플루토늄-238은 87.74년의 반감기를 가지며, 저준위의 감마선/양성자 및 중성자선/입자와 함께 다량의 열에너지를 방출한다. 알파-방출자로써 낮은 침투력의 고에너지 방사가 가능하여 안전을 위한 차폐물이 최소한만 필요하므로 종이 한 장으로 플루토늄에 의한 알파 입자 방출을 막아낼 수 있으며, 이 원소 1 kg이면 약 570 와트의 열을 생산할 수 있다.

이러한 특성으로 플루토늄은 인체 수명이 다할 떄까지 관리가 필요 없이 기능하는 소자(예: 인공 심장 박동기)나 우주선를 위한 전력 생산에 적합하지만, 현재는 인공 심장 박동기의 전력은 리튬 배터리로 대체되고 있다. 한편 플루토늄-238이 스쿠버 다이빙에 보조 열을 제공하는 방법도 연구된 바 있다.

플루토늄의 유해성은 주로 방사선과 중금속 독성에 의한 것이다. 플루토늄 동위원소와 화합물들이 배출하는 방사선의 부작용은 심각할 수 있다. 일본 히로시마와 나가사키에 떨어진 핵폭탄에 의한 피해가 대표적인 사례이다. 플루토늄이 붕괴되는 과정에서 알파, 베타, 감마선이 모두 방출된다. 알파선은 멀리 퍼지지 않아 피부 각질 아래로 침투하지 않으나, 베타선은 피부를 통과하지만 인체 깊숙히 침투하지는 않는다. 감마선은 신체 모든 부위에 침투할 수 있다.

플루토늄은 섭취했을 때보다 흡입했을 때 더 위험하다. 폐암 위험이 증가한다.

Retrieved on 2018-05-25