중수

중수(Heavy water 또는 Deuterium Oxide)는 수소의 동위 원소 중 수소(protium, @@NAMATH_INLINE@@^1_1H@@NAMATH_INLINE@@)보다 분자량이 두 배 큰 @@NAMATH_INLINE@@^2_1H@@NAMATH_INLINE@@(Deuterium, D)와 산소로 이루어져 있는 물을 말한다. 수소(protium, @@NAMATH_INLINE@@^1_1H@@NAMATH_INLINE@@)와 산소로 구성되어 있는 물(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)은 경수(Light water)라고 불린다. 중수의 분자식은 @@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@ 또는 @@NAMATH_INLINE@@^2H_2O@@NAMATH_INLINE@@ 라고 쓴다. 경수(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)는 분자량이 18인 반면 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)는 분자량이 20이다. 그리고 중수는 중성자를 흡수하는 성질을 이용하여 몇몇 원자로에서 감속재(moderator)나 냉각재(coolant)로 사용된다. 특히 천연 우라늄을 연료로 사용하고 중수를 감속재와 냉각재로 사용한 원자로를 중수로(heavy water reactor)라고 한다. 캐나다의 중수로 CANDU(canada deuterium uranium)가 대표적인 예시이다.

그림1: 중수(heavy water, @@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@의 분자 모식도 (출처: 한국물리학회)

동위원소 연구를 통해 1934년 노벨 화학상을 수상한 미국 물리화학자 Harold Clayton Urey는 1931년 중수소( @@NAMATH_INLINE@@^2_1H@@NAMATH_INLINE@@, Deuterium)를 최초로 발견하였다. 1933년에는 물리화학자인 Gilbert Newton Lewis는 전기분해를 이용하여 수소의 동위 원소인 @@NAMATH_INLINE@@^2_1H@@NAMATH_INLINE@@로 이루어진 순수한 중수를 최초로 생산하였다. 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)의 물리적 성질은 경수(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)와 크게 다르지 않다. 경수의 어는점과 끓는점은 잘 알려져 있듯이 0℃와 100℃이다. 중수의 어는점과 끓는점은 약 4℃내의 차이를 보이며 3.82℃, 101.4℃이다. 또한 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)의 밀도는 경수(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)의 밀도 보다 크기 때문에 얼음이 된 중수를 경수에 담그면 가라앉게 된다. 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)와 경수(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)의 여러 물리적 특성을 표1에 정렬하였다. 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)의 화학적 특징 또한 경수(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)와 크게 다르지 않다.

동·식물 내에서 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)의 특징은 경수(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)와는 다르다. 이는 중수소(@@NAMATH_INLINE@@^2_1H@@NAMATH_INLINE@@)와 산소의 결합 강도가 수소(@@NAMATH_INLINE@@^1_1H@@NAMATH_INLINE@@)와 산소의 결합 강도와 다르기 때문이다. 많은 연구를 통해 ‘용매 동위원소 효과(Solvent isotope effect)’와 ‘중수소 동위원소 효과(Deuterium isotope effects, DIE)’가 알려졌다.[1] 용매 동위원소 효과는 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)가 용매로 사용되었을 때의 특성이며 중수소 동위원소 효과는 생물학적 분자 내에서 수소(@@NAMATH_INLINE@@^1_1H@@NAMATH_INLINE@@)가 중수소(@@NAMATH_INLINE@@^2_1H@@NAMATH_INLINE@@)로 대체되었을 때의 특성을 말한다. 일반적으로 동물과 동물 세포에서는 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)의 농도가 높을 때(체중의 20% 이상일 때) 독성이 나타난다. 중수(@@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@)의 농도가 높아지면 동물의 신경계, 간 그리고 혈액 세포의 형성에 영향을 미치는 것으로 나타난다. 또한 농도가 높아질수록 불임 및 사망에 이르는 것으로 나타난다. 세포 단위에서는 유사분열(mitosis)과 막(membrane)의 기능에 영향을 미치는 것으로 나타난다. 원생동물(혹은 단세포 동물, Protozoa)은 중수의 농도가 70%까지 증가 되어도 견딜 수 있다. 조류(Algae)와 박테리아는 100% 중수농도를 견딜 수 있다.

그림2: Norsk Hydro에서 생산한 중수 샘플 ()

중수는 전기분해 방식, 물 또는 액체 수소의 증류작용, 화학적 변환((GS 과정)으로 생산할 수 있다. 그림 2는 Norsk Hydro사에서 전기분해 방식으로 생산한 중수(산화중수소) 샘플 사진이다. 2차 세계 대전 당시 중수는 독일의 원자 폭탄 프로젝트에 사용되는 중요 요소 중 하나였고 유럽의 Norsk hydro 회사의 Rjukan 공장은 유일하게 중수를 생산하는 공장이었다. 중수를 생성하는 또 다른 방식 중 하나인 Girdler sulfide(GS) 과정 또는 Geib-Spevack(GS)과정은 황화수소 가스(@@NAMATH_INLINE@@H_2S@@NAMATH_INLINE@@)와 일반적인 물(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)을 이용하여 중수를 생산하는 방법이다. 이 GS 과정은 그림 3과 같이 화학 변환 타워 내에서 발생한다. 특정 수의 구멍이 뚫려 있는 트레이를 통해 황화수소 가스(@@NAMATH_INLINE@@H_2S@@NAMATH_INLINE@@)가 아래에서 위로 유입되고 주입되는 물(@@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@)을 통과하여 위 방향으로 나온다. 타워는 차가운 영역의 타워(32℃)와 뜨거운 영역의 타워(125℃)로 구성되어 있다. 이렇게 온도가 다른 두 타워를 이용하는 반응의 속도차를 이용하기 위함이다. 동위 원소는 같은 수의 양성자와 전자를 소유하기 때문에 일반적으로 거의 같은 화학적 성질을 갖는다. 그러나 원자량이 다르기 때문에 화학 반응 시 정확하게 같은 속도를 갖지 않을 수 있다. 이러한 반응 속도의 차이는 동위 원소 질량 차이가 클수록 증가하며 질량 차이가 2배인 수소와 중수소에서는 이러한 차이가 두드러진다. 뜨거운 영역의 타워를 떠나는 황화수소 가스(@@NAMATH_INLINE@@H_2S@@NAMATH_INLINE@@)내의 중수소의 평형 농도는 차가운 영역의 탑을 떠나는 평형 농도 보다 크기 때문에 중수소의 알짜 이동은 차가운 영역의 타워에서 일어나며 @@NAMATH_INLINE@@HDO@@NAMATH_INLINE@@에서 @@NAMATH_INLINE@@H_2O@@NAMATH_INLINE@@로 이동된다. 즉 차가운 영역의 타워에서 중수소가 운반되어 중수를 포함한 물이 형성되는 것이다. 이렇게 중수를 포함한 물은 접합부에서 추출되고 추가적인 분리 타워로 이동되게 된다. 실제로 화학 변환 타워 단계를 통해서는 20~30 w/o @@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@을 생산할 수 있다. 더 높은 중량 퍼센트의 중수를 얻기 위해서는 추가적인 장치가 필요하며 캐나다의 가압 중수로인 CANDU(Canada Deuterium Uranium) 중수로에서는 99.75 w/o @@NAMATH_INLINE@@D_2O@@NAMATH_INLINE@@를 생산하기 위해 진공 중류를 이용한다.

그림3: 중수 생산 방법 중 GS(Girdler sulfide 혹은 Geib-Spevack) 과정 (출처: 한국물리학회)

중수는 핵자기공명(Nuclear magnetic resonance, NMR), 중성자 감속재(Neutron Moderator) 등에 이용된다. 중수를 사용하는 원자로를 중수로(heavy water reactor), 경수를 사용하는 원자로를 경수로(light water reactor)라고 한다. 특히 중수는 많은 중성자를 흡수할 수 있기 때문에 농축 우라늄 대신 천연 우라늄을 사용하는 중수로에 사용된다.

중수의 감속재로서의 기능을 파악하기 위해서는 원자로에 대한 이해가 필요하다. 예를 들어 235-우라늄 핵분열을 살펴보자. 235-우라늄은 연료로 사용되며 열중성자와 반응하여 핵분열이 일어난다. 이때 질량이 비슷한 2개의 원자핵으로 쪼개지면서 엄청난 에너지와 함께 2~3개의 중성자와 감마선을 방출한다. 방출된 중성자가 다시 열중성자로 사용되어 235-우라늄 핵분열 반응을 반복하는 것을 연쇄반응이라고 한다. 이때 방출된 중성자의 속도는 매우 빠르며 이 속도를 조절하여 지속적인 연쇄반응이 일으키도록 ‘감속재(moderator)’가 사용된다. 중수 내의 중수소(@@NAMATH_INLINE@@^2_1H@@NAMATH_INLINE@@)는 경수 내의 수소(@@NAMATH_INLINE@@^1_1H@@NAMATH_INLINE@@)에 비해 두 배의 질량을 가지고 있기 때문에 감속을 위해 더 많은 충돌이 필요함을 의미한다. 그러므로 중수로는 경수로에 비해 원자로 노심의 압력 용기가 커야 한다. 이러한 이유로 중수로는 칼란드리아(Calandria)라고 불리는 원자로 구조이며 대표적인 예로는 캐나다의 가압중수로인 CANDU(canada deuterium uranium)가 있다.

[1]: Kushner, D. J., Alison Baker, and T. G. Dunstall. 'Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds.' Canadian journal of physiology and pharmacology 77.2 (1999): 79-88.