우라늄

우라늄(Uranium)

핵연료로 중요하다.

지각(地殼)에 약 2ppm 정도를 구성하고 있다. 중요한 우라늄 광물로는 역청우라늄광·우라니나이트·카노타이트·오터나이트·토버나이트 등이 있다. 핵연료의 공급원으로 사용되고 있는 이들 광물과 그밖의 우라늄 광석에서 회수한 우라늄은 지금까지 알려진 모든 화석연료(化石燃料)의 회수 가능한 퇴적물보다 몇 배 이상의 에너지를 낸다. 1㎏의 우라늄은 300만㎏의 석탄과 같은 에너지를 발산한다. 우라늄은 은백색의 무거운 원소이지만, 유리를 긁을 정도로 단단하지는 않다. 연성·전성이 있으며 고광택이다.

우라늄

공기 중에서 변색되며, 미세하게 자르면 불꽃을 내며 탄다. 전기전도도는 작다. 1789년 마르틴 하인리히 클라프로트가 발견했는데, 그당시 새로 발견한 행성인 천왕성(Uranus)의 이름을 따서 우라늄이라고 명명했으며, 1841년 외젠 멜키오르 펠리고가 사염화우라늄(UCl₄)을 칼륨으로 환원시켜 최초로 분리했다.

1896년 앙리 베크렐은 우라늄이 방사성 물질임을 최초로 발견했다.

지금까지 알려진 우라늄의 모든 동위원소는 방사성 물질이며 천연에서는 3개의 동위원소, 즉 우라늄-238(²³⁸U : 99.27％, 반감기 45억 1,000만 년), ²³⁵U(0.72％, 반감기 7억 1,300만 년), ²³⁴U(0.006％, 반감기 24만 7,000년)의 혼합물로 산출된다. 이와 같이 긴 반감기를 이용하면, 우라늄이 함유된 특정 암석에서 우라늄이 붕괴되어 생기는 최종 붕괴물질인 납의 양을 측정함으로써 지구의 나이를 결정할 수 있다.

방사성 우라늄 붕괴계열에서 ²³⁸U은 우라늄 계열의 어미핵종이고, ²³⁴U는 딸핵종 중의 하나이며, ²³⁵U는 악티늄 붕괴 계열의 어미핵종이다.

1938년말에 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 느린 중성자를 우라늄에 포격하여 핵분열을 일으키는 사실을 발견한 뒤 우라늄 원소는 집중적인 연구와 넓은 관심의 대상이 되었다.

1939년초 엔리코 페르미는 핵분열 생성물로 중성자가 만들어지며, 이 중성자는 연쇄 핵분열 반응을 일으킨다고 제안했다. 1939년 레오 실라드, 허버트 L. 앤더슨, 장 프레데리크 졸리오 퀴리와 공동연구자들은 이 예견을 입증했다. 그뒤 행해진 연구 결과 핵분열이 일어나는 동안 원자당 평균 2½개의 중성자가 방출됨을 알아냈다. 이 발견 이후 최초의 스스로 지속하는 핵연쇄반응(1942. 12. 2), 최초의 원자폭탄 실험(1945. 7. 16), 전쟁에의 사용(1945. 8. 6), 최초의 원자력 잠수함 제조(1955), 최초로 본격적인 규모의 원자력 발전소 건설(1957) 등이 이루어졌다.

핵분열은 비교적 희유 동위원소인 ²³⁵U(유일하게 천연에서 산출되는 핵분열성 물질)에 느린 중성자를 서서히 포격시켜 일어나며, ²³⁵U는 여러 용도로 사용하기 위해 풍부한 동위원소인 ²³⁸U로부터 분리시켜 얻는다. 그러나 ²³⁸U은 중성자를 흡수하고 음의 베타(β^－) 붕괴를 한 뒤 합성 원소인 플루토늄이 되어 느린 중성자에 의해 핵분열한다.

천연 우라늄은 전환로와 증식원자로에 사용되는데, 거기서 희유 ²³⁵U에 의해 핵분열이 계속되고 ²³⁸U의 변환으로 동시에 플루토늄이 생성된다. 핵분열성 원소인 ²³³U은 천연에 풍부한 비핵분열성 물질인 토륨-232(²³⁸Th)로부터 핵연료를 사용하기 위해 합성된다. 우라늄은 또한 변환반응으로 합성한 초우라늄 원소를 만드는 주요 물질로 중요하다.

우라늄은 전기양성도가 크고, 물과 반응을 하며, 산에는 녹지만 알칼리에는 녹지 않는다. 주요 산화수는 ＋4(산화물 UO₂와 녹색을 띤 이온 U^4＋)와 ＋6(산화물 UO₃와 황색의 우라닐 이온 UO₂^2＋)이다. ＋3과 ＋5의 산화수도 존재하지만 이들 이온은 불안정하다(적색을 띤 U^3＋과 UO₂^＋은 불균등화 반응을 하여 U^4＋과 UO₂^2＋이 됨). 우라늄 화합물은 요업(窯業)에서 착색제로 쓰이며, 기체상태의 육플루오르화우라늄(UF₆)은 ²³⁸U에서 ²³⁵U를 분리하는 기체확산법에 쓰인다.

92 uranium (U) enhanced Bohr model