우라늄의 반감기는 무엇인가?
우라늄
그리고 가장 적은 비율을 차지하는 우라늄-234 원자는 0.0054%를 차지한다. 우라늄의 반감기는 매우 길고 안정적이다. 반감기는 우라늄-238의 경우 44억 6800만 년, 우라늄-235의 경우 7억 380만 년, 우라늄-234의 경우 24만 5000년이 걸린다. 그 밖에 인공적으로 만든 동위원소를 포함하면 질량수 217로부터 242까지 26종이 존재한다.
악티늄
악티늄은 우라늄 광석에서만 Ac로 그 자취를 발견할 수 있는데, 1톤의 광석은 0.2밀리그램의 악티늄을 가지고 있다. 악티늄의 동위 원소 Ac는 방사성 붕괴 계열 중 악티늄 계열에 일시적으로 나오는 구성원으로, 악티늄 계열은 U 혹은 Pu로 시작하여 안정한 납의 동위원소인 Pb로 끝난다. 악티늄의 또 다른 동위원소인 Ac는 방사성 붕괴 계열 중 넵투늄 계열에 일시적으로 등장하는데, 넵투늄 계열은 Np 혹은 U로 시작하여 Tl 혹은 Bi로 끝난다.
사용후핵연료
대한민국에서 발전용 원자로에 사용되는 핵연료는 원자로의 종류에 따라 경수로와 중수로, 두가지 종류가 있다. 중수로는 핵연료 U-235 농축도가 0.7%인 천연우라늄을, 경수로의 경우는 농축도가 3~5%인 농축우라늄을 사용한다. 두 종류 모두 핵연료 초기에는 우라늄만 존재하나 원자로 내에서 핵분열 연쇄 반응이 진행됨에 따라 사용후핵연료 내에는 많은 방사성 핵종들이 존재하게 된다. 핵분열 연쇄 반응이 진행되면 최초에 장전된 우라늄은 원자로 내에 존재하는 중성자를 흡수하여 넵튜늄Np, 플루토늄Pu, 아메리슘Am, 큐륨Cm 등으로 변하게 되며, 이들은 반감기가 길어 지속적 관리가 필요하다. 우라늄, 플루토늄을 제외한 원자번호 92번 이상의 초우라늄 원소는 중소로 사용후핵연료의 경우 약 0.02%, 경수로 사용후핵연료의 경우 0.2%가 생성된다.
이산화 우라늄
이산화 우라늄 (UO)는 우라늄의 산화물로, 우라늄(IV), 우래니아()라고도 부르며 천연 우라니나이트에서 얻을 수 있고, 검은 색의 결정 분말 형태로 방사능 물질이다. 연료봉으로 만들어 원자력 발전소에 핵 연료로 쓰인다. 이산화 우라늄은 이산화 플루토늄과 합쳐 혼합 산화물 연료로 만든다. 1960년대 이전에는 세라믹스 유약과 유리에 넣어 노란색과 검은 색을 내는데 쓰였다.
니호늄
니호늄(Nihonium)은 화학 원소로 기호는 Nh, 원자 번호는 113이다. 초우라늄 원소의 일종이며 다른 초악티늄족 원소에 비해 반감기가 길다고 생각된다. 모스코븀의 알파 붕괴 과정에서 실험적으로 약 1.2초간 관측되었다는 연구 결과가 있다. 일본 이화학연구소의 보고에 따르면, 344마이크로초에 붕괴한다고 한다. 이 원소는 주기율표에서 탈륨의 아래에 위치해 있으므로 탈륨과 비슷하게 상온에서 고체일 것으로 추측된다.
2016년 3월, 이화학연구소 연구팀 리더인 모리타 고스케 교수는 새 원소의 이름으로 니호늄(Nihonium)을 IUPAC에 통보했다. IUPAC은 다른 사람의 의견을 들은 후, 2016년 말에 공식적으로 원소 이름을 결정한다.
감손 우라늄
발화된 열화우라늄 분말은 다시 전차나 전투기의 연료와 기기류에 인화돼 공격대상을 완전히 파괴하는 위력을 갖는다.
스트론튬 동위 원소
인공적으로 합성된 스트론튬의 동위 원소는 Sr부터 Sr까지 존재한다.
이들 중 Sr의 반감기는 50.57일, Sr의 반감기는 28.9년으로 이들은 우라늄, 토륨의 자발 핵분열 생성물로써 자연계에 미량 존재하며, 원자로 내의 핵분열로 인해 많은 양이 형성된다.
악티늄
자연적으로 생성되는 악티늄은 한 종류의 방사성 동위 원소로만 이루어져 있다. 바로 Ac이다. 지금까지 총 36개의 방사성 동위원소가 발견되었는데, 제일 안정한 것은 Ac로써, 그의 반감기는 21.772년이다. Ac의 반감기는 10일이고, Ac의 반감기는 29.37시간이다. 나머지 방사성 동위원소들은 모두 10시간보다 적은 시간의 반감기를 가지고 있고, 대다수는 반감기가 1분도 되지 않는다. 반감기가 가장 짧은 악티늄의 동위원소는 Ac으로, 반감기는 69 나노초이다. Ac는 알파 붕괴와 역베타 붕괴('전자 포획'이라고도 한다)로 붕괴된다. 악티늄은 2개의 핵 이성질체가 있다.
악티늄족
악티늄족은 모두 방사성 원소이며 붕괴할 때 에너지를 발생시킨다. 자연적으로 만들어진 우라늄과 토륨, 그리고 인공 합성할 수 있는 플루토늄은 지구에 다량으로 존재하는 악티늄족 원소이다. 이 원소는 원자로와 핵무기에 쓰인다. 우라늄과 토륨도 역사적으로나 다양한 곳에 쓰이고, 아메리슘은 이온화 상자나 대부분의 현대적 연기 감지기에 쓰인다.
플루토늄-239
반감기가 24000년이나 되기 때문에 35만년간 보관해야 되는데 많은 양을 100% 통제하에 장기간 보관하는 것은 불가능하다. 따라서 미래에는 핵연료로써 우라늄과 같이 플루토늄도 같이 소모하게 될 것이다.
우라늄
또한 순수한 U에서는 1 g당 매초 약 0.0003개의 원자가 자발 핵분열을 일으키므로 일정량 이상 모이면 연쇄반응에 의해서 핵폭발이 일어난다. 이것을 이용한 것이 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 투하된 최초의 원자폭탄이었다. U은 우라늄계열의 최초의 핵종으로 우라늄I(UI)라고도 하며 중성자를 많이 흡수하므로 연쇄반응올 억제할 수 있지만 그 결과 U로 되어 Np를 거쳐 Pu로 변한다. 이 Pu는 중요한 핵연료로 사용된다. 따라서 천연 우라늄 중 235와 238을 분리할 필요가 있게 되어, 제2차 세계대전 중 미국의 원자폭탄 제조계획에 의해서 모든 방법들이 검토되었다.
우라늄
우라늄은 자연에서 발견되는 원소 중에서 원자 번호가 가장 크다. 실제로 우라늄보다 원자 번호가 큰 넵투늄과 플루토늄도 자연에서 존재하지만, 이 둘은 워낙 드물게 나온다. 그래서 넵투늄과 플루토늄을 인공원소로 분류하므로, 우라늄이 가장 원자 번호가 크다. 우라늄의 원자량은 238.029u, 원자번호는 92, 악티늄족이다. 밀도는 20도에서 19.05g/cm이며, 녹는점과 끓는점은 각각 1405K, 4404K이다.
핵연료
핵연료는 원자력발전소의 가장 핵심 요소인데, 소결체 재료인 이산화우라늄(UO)은 화학적으로 매우 안정된 화합물로, 용융온도가 약 2,850℃이다. 이산화우라늄 소결체는 핵분열 시 발생하는 방사성물질들을 안전하게 가두어 두는 1차 방호벽 역할을 한다. 또한 소결체를 감싸고 있는 핵연료 피복관은 방사성 물질이 냉각재로 유출되지 않도록 막아 주는 2차 방호벽 역할을 한다.
우라늄 동위 원소
U-232는 토륨 핵반응으로 생성된 U-233들 중 200ppm가량이 중성자를 흡수함과 동시에 2개 방출하여 생성된다. 붕괴 과정에서 강한 감마선을 내뿜는 동위 원소들이 있어 극히 위험하여 핵폐기물로 분류된다.
알루미늄-26
알루미늄-26은 72만 년의 반감기를 거쳐 안정 동위 원소인 마그네슘-26으로 붕괴한다. 이를 이용하여 지구로 떨어지면서 우주선에 의해 알루미늄-26이 누적된 운석의 연대를 측정하는데 사용되며, 운석 외에도 해양 퇴적물, 빙하, 암석 속의 석영, 망간 단괴 등의 연대를 측정할 때도 쓰인다. 또, 베릴륨-10(Be)과의 존재 비율을 측정하면 수십만 년에 걸쳐 일어난 물질의 이동을 파악하는데 쓰이기도 한다.
우라니나이트
모든 우라니나이트에는 우라늄의 붕괴 생성물로 인해 소량의 라듐이 함유되어 있다. 또한 모든 우라니나이트엔 우라늄의 최종 붕괴형태인 Pb-206과 Pb-207이 소량 들어있다. 또한 알파 붕괴로 인해 소량의 헬륨도 들어 있다. 헬륨의 경우 첫 발견은 태양의 대기에서 발견되었으나, 그 후 우라니나이트를 분광하면서 지구상에서 발견하게 되었다. 또한 우라늄 238의 자연적인 분열로 인해 극미량(약 0.2 ng/kg)의 테크네슘도 찾을수 있다.
우라늄-235
임계질량은 54kg이지만 중성자 반사재를 이용하면 10kg까지 줄일 수 있다. 하지만 경제성 있는 핵무기를 만들기 위해선 폭발질량을 20kg로 맞추어 놓을 필요가 있다.
핵무기 설계
자연적으로 생겨나는 우라늄은 99.29%의 대부분을 동위원소인 U-238이 차지하고 있으며, 핵분열성 동위원소인 U-235는 단지 0.71%만을 차지하고 있다. U-238은 높은 확률로 핵분열 없이 중성자를 흡수하며, 또한 높은 자발 핵분열 비율을 가지고 있다. 이러한 특징은 U-238이 핵폭탄 내부에 너무 많을 경우 핵 연쇄 반응이 성공적으로 일어나지 않을 것임을 의미한다. 무기로 사용하기 위한 우라늄은 여러 동위원소 분리 방식을 이용하여 농축되며, 대개의 분리 방식은 U-235가 U-238보다 아주 약간 가볍다는 것을 이용한다. 이 과정은 핵무기 생산 계획에서 가장 어려운 부분이며, 모든 형태의 동위원소 농축 방식은 첨단 기술이 필요하다.
우라늄 동위 원소
우라늄-236이 중성자를 흡수하여 생성되지만 열중성자 핵분열 효율이 불과 0.4%, 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 4.1%에 불과하다. 또한 반감기도 6.75일로 매우 짧아 중성자를 먹기도 전에 93.7%의 대부분이 넵투늄-237로 붕괴된다. 열중성자로에서는 우라늄-237중 0.4%만 핵분열을 하고 99.6%는 우라늄-238로 변환된다.
융합과학
1907년부터 평생 이어진 화학자 오토 한과 물리학자 리제 마이트너의 공동 연구는 결국 우라늄 핵분열 발견을 이뤄낸다. 우라늄을 변환시키는 실험 과정에서 새로 생성되는 원소의 분석을 위해 그들이 찾은 분석화학자가 바로 슈트라스만이었다. 실험에서 나타나는 원소들은 같은 족에 속해 있어 화학적 성질이 매우 비슷했기 때문에 꼼꼼한 분석화학자가 꼭 필요했다. 파리 연구팀과 로마 연구팀에 이러한 분석화학자가 없었다는 점은 큰 약점으로 작용했다. 파리 연구소의 이렌 퀴리와 사비치는 우라늄에 중성자를 쏘아 새로운 방사성 물질을 발견했으나 분석화학자의 부재로 어떤 물질인지 알아내지 못했고 결국 베를린 연구팀이 분석하는 과정에서 우라늄의 핵분열을 발견하게 된 것이다.
플루토늄
원자로에서는 U 이 중성자를 포획해 U 가 되고, 그것이 베타 붕괴해 Np가 되고, Np가 다시 베타 붕괴해 Pu가 생긴다.(원자로 내에서는 다른 플루토늄 동위원소도 다수 생성될 수 있다.) U은 천연 우라늄의 대부분을 차지하고 있으므로 Np와 Pu도 위의 과정을 통해 생성되어 극미량이 천연에도 존재한다. 또 동위원소 중에서는 가장 긴 약 8000 만 년의 반감기를 가진 Pu도 극미량이지만 천연에 존재한다.
플루토늄은 핵무기의 원료나, 플루서멀(Plu-thermal) 발전에 있어서의 MOX 연료로서 주로 사용되고, 인공위성의 전원인 원자력 전지로서 사용된 적도 있다.
기장 수출용 신형 연구로
U-Mo 핵연료는 기존의 우라늄-실리콘 핵연료보다 우라늄 밀도가 높아 고농축 우라늄 대신 저농축 우라늄을 쓸 수 있다. 세계 최초로 개발된 U-Mo 분말은 단위 부피당 우라늄 밀도를 2배 가까이 높여 농축도 20% 이하의 저농축 우라늄으로도 고성능 효과를 낼 수 있다. 연구용 원자로의 핵연료 교체주기를 현재의 200일에서 300일로 50% 가량 늘릴 수 있다. 2017년 말까지 미국에서 성능시험을 끝낼 계획이다.
우라늄-238
하지만 공명 흡수를 원자로 내부에 100% 유도하기는 어렵다. 중성자가 냉각제와 충돌하면서 속도가 변화되어 고속 중성자의 속도로 연료와 충돌할 수도 있고 열 중성자의 범위로 속도가 느려진 후 충돌할 수도 있기 때문이다.
또한 핵분열 생성물등 생성물로 인한 변화, 온도와 밀도 변화도 한몫을 한다.
방사성 폐기물
미국의 규정에 따르면, 초우라늄 폐기물은 어디서 만들어졌는지 상관없이 알파선을 방출하고 반감기가 20년보다 긴 초우라늄 방사성 핵종에 오염된 폐기물을 말한다. 또한 이들은 고수준 폐기물은 제외하고 농도가 100nCi/g(nCi : 나노퀴리)보다 높아야 한다. ‘초우라늄’이라 함은 우라늄보다 원자번호가 큰 원소들을 말하는데, 이들의 긴 반감기 때문에 초우라늄 폐기물은 저준위 폐기물과 중준위 폐기물들보다 조심스럽게 처리된다.
우라늄-238
우라늄-238은 자발 핵분열 비율과 알파 붕괴의 비율이 180만대 1의 비율을 나타내고 있지만 반감기가 매우 길다.
이러한 특성으로 우라늄-238은 임계질량이 존재하지 않는다. 역시 우라늄-236도 마찬가지이다.
반감기
여기에서
핵연료 주기
천연 U는 경수로의 연쇄반응을 유지시킬 만한 양이 부족하기 때문에, U를 농축시키는 것이 필요하다. 농축의 정도는 고객의 요청에 따라 달라진다. 일반적인 경수로에선 약 3.5%의 U 정도 농축된 걸 사용하지만, 더 낮은 농축도를 가진 농축 우라늄도 필요하다. 농축은 한 가지 혹은 여러 가지 동위원소 분류법을 사용하는데, 그중 기체확산법과, 원심분리법이 주로 사용되며, 새로운 농축방법도 개발 중에 있다.
핵무기
가장 대표적인 핵무기는 핵분열을 이용한 것이다. 이 경우에 핵분열 물질로는 보통 우라늄과 플루토늄이 사용된다. 우라늄-235나 플루토늄-239 등이 쉽게 핵분열을 일으키고, 이들을 임계 질량 이상으로 모으면 연쇄 반응이 폭발적으로 일어나는 것을 이용한 것이다. 이를 원자 폭탄이라고 한다. 예를 들어, 농축도 93.5%인 우라늄-235의 임계질량은 크기로 따지면 핸드볼공 정도의 크기(약 17cm)에 해당한다. 이때 핵분열에 의한 폭발은 일반적인 화학반응이 따르는 질량보존 법칙과 에너지보존 법칙이 적용되지 않고, 아인슈타인의 특수상대성이론에 따라 우라늄의 미미한 질량 변화로부터 막대한 에너지가 발생하면서 연쇄 반응을 일으키게 된다.
악티늄족
우라늄을 특정 염기물로 분해할 때(예시로 UO(NO)·6HO로 공기 중에서 400 °C로 분해하였을 때), 주황색이나 황색인 UO을 만든다. 이 산화물은 양쪽성을 가지고 있고 여러 수산화물의 형태를 하고 있으며, UO(OH)형태일 때 가장 안정하다.
우라늄(VI) 산화물과 수소의 반응은 이산화우라늄을 만들고, 이것은 ThO와 성질이 비슷하다. 이 산화물은 또한 염기성 물질이고 수산화우라늄(U(OH))과 일치한다.
우라니나이트
우라니나이트(Uraninite) 혹은 역청 우라늄석, 섬우라늄석은 방사성을 띤 광물로, 우라늄 산화물이 많이 함유된 광석(UO으로 대다수 구성)이나, 때때로 UO, 납이나 토륨, 그리고 다른 희토류 원소들의 산화물을 포함하고 있기도 한다. 우라니나이트의 우라늄 함량은 UO으로 환산하자면, 약 50에서 80%정도로 추산된다. 보통 괴상의 우라니나이트를 가리켜 피치블렌드(Pitchblende)라고 부른다. 피치블렌드의 어원은 독일어(Pechblende)로 Pech는 타르, 불운을 가리키며, Blende는 광물을 가리킨다. 이 이름이 붙여지게 된 계기는 15세기 독일의 에르츠 산맥에 위치한 은광에서 광부들이 채광하면서 이 광석이 나타났기 때문인데, 이 광석은 돈으로 바꾸기가 힘들거나 불가능했기 때문이다. 그 후 1789년 피치블렌드에서 마르틴 하인리치 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth)가 세인트요하인스틸에서 나온 폐기물을 조사하다 우라늄을 발견하게 되었다.
농축 우라늄
우라늄을 기체 화합물(6불화우라늄)로 만들어 다공성(多孔性) 벽을 통해서 내뿜으면 가벼운 기체가 먼저 나오고, 무거운 기체가 뒤에 남는 성질이 있다. 몇 단계든 같은 일을 되풀이하면 차차 성분이 분리된다.
핵연료
TRIGA 연료는 TRIGA(Training, Research, Isotopes, General Atomics) 원자로에서 사용하는 핵연료이다. TRIGA 원자로는 우라늄-지르코늄 수화물(UZrH)를 사용하는데, 이 연료는 음의 피드백 효과로 인해, 노심의 온도가 올라가면 반응도는 줄어들게 되어 노심용융이 일어나지 않도록 한다. TRIGA 원자로는 중성자를 많이 방출되개 설계하여, 실험에 사용될 수 있게 만들어져 있다. TRIGA 연료는 원래는 고농축 우라늄을 사용하도록 디자인되어 있지만, 1978년 미국 에너지성에서 연구용 원자로의 농축도를 낮추게 되어, 저농축 우라늄으로 가동되고 있다.
연구용 원자로
연구용 원자로는 대부분 열출력이 낮은 만큼 운전온도가 낮기 때문에 초기에는 알루미늄과 농축도 90% 이상의 우라늄합금연료를 사용했으나, 현재는 우라늄 농축도를 20%로 낮추면서 우라늄과 실리콘 합금으로 된 심재를 알루미늄피복으로 감싼 형태의 연료를 사용한다. 최근 핵연료의 성능을 높이기 위해 우라늄과 몰리브덴 합금 연료가 개발되고 있으며, 부산시 기장에 건설될 연구로에서는 우라늄-몰리브덴 합금을 연료로 사용할 예정이다. 한편, 감속재와 냉각재는 원자로의 특성 및 용도에 따라 중수, 흑연, 베릴륨 등 다양한 물질이 사용된다.
우라늄 동위 원소
자연계에 존재하는 우라늄(U)의 동위 원소는 원자량 234, 235, 238이 존재한다.
나머지는 인공적으로 만들어지는 동위원소들이다.
극미량이 토륨과 우라늄-235, 238의 자발적 핵분열로 U-233, U-236, U-237, U-239, U-240가 생성되어 자연계에 존재하기는 하지만 극미량이라 무시된다.
얼마나 극미량이냐면 반감기가 긴 U-236도 1조 3천억분의 1의 양이 우라늄 광석에 함유되어 있으며 U-235의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자를 U-235원자가 중성자 한개를 흡수함으로써 생성된다. (순수 천연 우라늄 1kg에 1조 9천억개의 우라늄-236 원자가 들어있다는 뜻)
U-233은 토륨-232의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자를 토륨-232가 1개 흡수함으로써 생성된다. 나머지 U-237과 U-239도 그런식으로 극미량 존재한다.
U-240은 극미량 존재 동위 원소인 Pu-244의 알파붕괴로 생성, Pu-244는 반감기가 8000만년이나 되기 때문에 자연계에 극미량 존재한다. 하지만 U-240의 반감기가 매우 짧아서 초극미량이라 관측되지는 않았지만 Pu-244가 극미량 존재하므로 분명히 U-240도 자연계에 극미량 존재했다가 사라졌다 극미량 존재했다 사라졌다를 반복하고 있다.
우라늄
공기 중에서 가열하면 발화해서 산화우라늄(UO)이 된다. 할로젠, 황, 질소와도 직접 반응한다. 묽은 산에는 녹아 수소를 발생하며 4가(4+) 우라늄염으로 바뀌며, 질산에도 녹아 질산우라늄을 만든다. 알칼리 금속과는 반응하지 않으며 이온화 경향은 망가니즈와 아연의 중간이다. 화합물의 주원자가는 2+, 3+, 4+, 5+, 6+인데 4+가 가장 안정하고 6+가 그 다음이다. 우라늄 이온은 U, U 등이 있다.
우라늄 레이저 농축법
핵폭탄 한 개를 만들려면 우라늄 235가 20 kg 정도 필요하다. 이를 위해선 천연 우라늄 3.5톤이 든다. 레이저 농축법은 가스확산법과 같은 막대한 에너지나 열량을 소모하지 않으며 원심분리법의 우라늄 낭비 폐단도 없다. 막대한 시설이나 공장부지도 필요없다. 2시간 단위로 한 사이클이 계속되며, 우라늄 235 20kg를 얻는데, 30만초, 즉 3.5일밖에 안 걸린다고 한다. 이것은 지하 아지트에서 손쉽게 핵폭탄을 만들 수 있는 가능성을 동시에 열어놓는 것이다.
이산화 우라늄
이산화 우라늄은 삼산화 우라늄을 수소로 환원시켜 만든다
원자로
열 중성자 반응로는 일반적으로 정제된 농축우라늄에 의존한다. 그리고 몇몇 원자로는 MOX연료(우라늄+플루토늄 혼합 연료)를 사용한다. 이 과정은 우라늄광석이 채광, 제련, 사용, 가능하다면 재처리와 처분에 이르기까지의 과정을 핵연료 주기라고 부른다.
노심
가압수형 원자로 또는 비등수형 원자로의 내부에는 노심 내부에 있는 다른 구조물로는 제어봉이 있는데, 그 내부는 중성자를 쉽게 잡아둘 수 있는 붕소나 하프늄, 카드뮴 같은 물질들의 펠렛으로 채워진다. 제어봉은 노심으로 삽입되면 중성자를 흡수하여 연쇄반응을 하지 못하게 하며, 제어봉을 인출시 더 많은 중성자들이 핵분열성 우라늄-235(U)나 플루토늄-239(Pu)의 핵에 부딪혀, 연쇄 반응은 격렬해진다. 핵분열 반응으로 발생하는 열은 주변의 경수나 중수에 의해 제거되는데, 경수나 중수는 중성자 반응을 완화시킨다. 단, 경수의 경우 중수보다 중성자 흡수율이 높기에 우라늄의 농축도가 더 높은 농축 우라늄이 꼭 필요하다.
농축 우라늄
농축하는 데는 막대한 전력과 비용이 들고 많은 천연우라늄이 허비된다. 우라늄의 농축이 곤란한 것은 우라늄-235와 우라늄-238의 화학적인 성질이 같기 때문에, 겨우 1.3%의 원자의 무게의 차이를 이용하여 물리적 방법으로 그것들을 분리하는 수밖에 없는 까닭이다. 그 방법으로는 다음과 같은 것이 있다.
천연 우라늄
경수로나 핵무기에 쓰이기에는 천연 우라늄은 우라늄-235의 비율이 낮아, 농축 우라늄을 사용한다.
우라늄
우라늄 중에서 우라늄-235는 원자력 발전소의 전기 생산 원료로 쓴다. 경수로에 쓰이는 우라늄의 농도는 3~5% 정도이다. 이것은 우라늄 농도가 너무 높으면 핵분열이 활발해져 연쇄반응이 일어나서 원자로가 폭발하는 것을 방지하기 위해서이다. 그래서 원자력 발전소에서 쓰는 우라늄은 95.5%가 우라늄-238이고, 나머지 4.5%는 우라늄-235이다. 핵폭탄에 쓰는 우라늄은 99%가 우라늄-235이고 1%가 우라늄-238이다.
농축 우라늄
U 비율이 20% 이하인 농축 우라늄이다. 경수로 등에는 U 비율이 3~5%인 연료를 사용한다.
우라늄 동위 원소
하지만 이는 대형의 중성자 공급장치를 필요로 한다는 점에서 경제성이 없다.
토륨 원전에서는 이러한 성질 때문에 토륨에 플루토늄-239, 우라늄-235등을 섞어 사용하는 방법도 있지만 핵분열성 동위원소를 고농축해야 하므로 실효성이 떨어진다.
토륨
자연상태에서는 토륨-232로 존재하는데 이는 알파붕괴를 일으키고 반감기가 140억 500만년이다. 그 외에 다른 동위원소들은 고분자량의 원소가 붕괴할 때 decay chain의 중간 물질로 짧은 시간 존재하며 극소량이 존재한다.토륨은 지구 지각에서 우라늄의 4배 더 많이 존재하며 대개 희토류 금속에서 뽑아낸 모나자이트 모래를 정제하여 얻는다.
뢴트게늄
뢴트게늄의 동위 원소는 일곱 가지가 알려져 있다. 가장 안정적인 원소는 Rg으로, 알파 붕괴하며 3.6초의 반감기를 가진다. 가장 짧은 수명을 가진 동위 원소는 Rg으로, 알파 붕괴하며 반감기는 1.5 밀리초이다. 또 다른 동위 원소로 Rg은 알파 붕괴하고 170 밀리초의 반감기를 가진다.
우라니나이트
우라니나이트는 우라늄의 주요 광물이다.
앙리 베크렐
다시 실험에 몰두한 베크렐은 1986년 5월 우라늄염이 사진작용이나 형광작용, 공기 중에서의 전리작용을 한다는 사실을 밝혀내고, 이 현상이 뢴트겐이 발견한 X선의 성질과 비슷하다고 결론을 내렸다. 다만, 뢴트겐처럼 특별한 장치를 이용한 것이 아니었기에 우라늄염 자체에서 광선이 나온다는 점이 X선과 다르다고 했다. 베크렐은 이 광선에 '베크렐선'이라는 이름을 붙였다. 우라늄화합물(나중에 방사성물질로 밝혀짐)에서 방사선(당시에는 베크렐선)이 확인되는 순간이었다.
핵무기 설계
20% 이상의 U-235가 포함된 우라늄은 매우 농축된 우라늄이라고 하며, 무기로 사용할 만한 우라늄은 적어도 93.5%의 U-235를 지녀야 한다. U-235의 자발 핵분열 비율은 1 kg당 매 초 0.16 핵분열이며, 이러한 낮은 핵분열 비율로 인해 초임계를 달성하기 위한 두 핵분열성 물질의 결합 과정은 상대적으로 쉽다. 중성자 반사재가 없는 U-235 구의 임계 질량은 약 50 kg으로, 직경 약 17 cm의 구이다. 만약 구를 둘러싼 중성자 반사재가 있다면, 임계 질량은 15 kg 정도로도 낮아질 수 있다.
핵연료 주기
농축과정중 부산물의 대부분(96%)인 열화 우라늄은 장갑재, 포탄의 관통자, 방사능 차폐물, 선박의 밸러스트로 쓰이지만 많은 양의 열화우라늄이 창고에 쌓여있다. 미국 에너지성은 약 47만톤 가량의 열화우라늄을 가지고 있으며, 그중 약 95%의 열화 우라늄은 6불화 우라늄으로 저장된다.
감손 우라늄
탄두부분에 우라늄을 넣은 관통자 또는 침투기(Penetrator)를 부착, 이 부분이 탱크 등의 장갑이나 콘크리트 벽 등을 돌파한 뒤 내부에서 일반 탄약이 폭발하도록 설계돼 있다
세슘 동위 원소
Cs은 30.17년의 반감기를 갖는 동위 원소로, Sr과 함께 사용후 핵연료에서 다량 생성된다. 자연계에서는 우라늄과 토륨의 자발 핵분열의 생성물로 극미량이 형성되었다가 사라졌다를 반복하고 있다.
감손 우라늄
감손 우라늄(減損 - ), 열화 우라늄(劣化 - ) 또는 폐기 우라늄()은 천연 우라늄에 비해 우라늄-235의 비율이 낮은 우라늄을 말한다. 원자력 발전에 사용하기 위해 우라늄235의 농도를 높인 농축 우라늄을 추출하고 남은 폐기물이다.
핵연료 주기
이렇게 만들어진 옐로케이크는 대다수 농축 공정에 쓰이는 6불화 우라늄(UF)로 전환된다. 6불화 우라늄 고체는 64.02도, 1137.5 mmhg에서 기화한다. 또한 CANDU와 같이 천연우라늄을 사용하는 원자로에서 사용하기 위해 세라믹 형태의 우라늄 산화물(UO)로 전환되지만, 6불화 우라늄에 비해 전환되는 양이 적다.
라돈
라돈(←, )은 화학 원소로 기호는 Rn(←), 원자 번호는 86이다. 라돈은 방사성 비활성기체로써 무색, 무미, 무취의 성질을 가지고 있으며 공기보다 무겁다. 자연에서는 우라늄과 토륨의 자연 붕괴에 의해서 발생된다. 가장 안정적인 동위 원소는 Rn-222으로 반감기는 3.8일이고, 이를 이용하여 방사선 치료 등에 사용된다. 라돈의 방사능으로 인해 폐로 흡입하게되면 폐의 건강을 위협할 수 있다. 이러한 이유로 많은 과학자들이 라돈에 대한 화학적 연구를 꺼리고 있고, 그로인해 아직까지 알려진 화학적 합성물질은 매우 극소수에 불과하다.
우라늄-238
미래에 우라늄-235의 반감기가 매우 짧기 때문에 우라늄-238이 100% 남게 될 것이다.
과거에는 우라늄-235와 236도 많이 있었지만 반감기가 짧아 236은 이미 42억년전에 사라져 현재는 자발핵분열로 인해 튀어나온 중성자로 생성된 극미량만 남아있고 우라늄-235도 0.72%밖에 남아 있지 않다.
오토 한
두 사람은 초우라늄원소의 추출 과정에서 특이한 현상을 발견한다. 담체로 사용했던 바륨과 란탄이 방사성원소로 변한다는 것이었다. 이에 대한 물리학적 원인을 마이트너에게 문의했고, 마이트너는 우라늄핵이 분열이 되었을 가능성을 제기했다. 천연우라늄에 0.8% 정도 섞여 있는 우라늄-235가 중성자를 흡수해 질량이 비슷한 바륨과 란탄의 원자핵으로 분열한 것으로, 방사선은 이 핵분열의 일부로 발생한 것이라는 해석이었다. 오토 한과 슈트라스만은 이 사실을 증명하기 위한 실험에 착수하여 실제로 그것을 증명해냈다.
이산화 우라늄
이산화 우라늄같은 산화물계 핵연료는 열전도도는 우라늄이나 플로토늄같은 금속계 연료보다 낮지만 고온에서 화학적으로 안정하고 융점, 변태점이 높으므로 핵반응 온도를 높여 고출력을 얻기에 적당하여, 대부분의 발전용 원자로 연료로 쓰이고 있다.
우라늄-235
핵분열이 되기 때문에 핵연료로 쓰인다. 하지만 자연계에는 0.7204%밖에 존재하지 않기 때문에 농축하게 된다. 일반 경수로에는 4.5%까지 농축하며, 실험용 원자로의 경우, 경우에 따라 10%~60%까지 농축하기도 하며 중수로에는 농축하지 않고 천연연료를 제조해서 집어넣어 사용할 수 있다.
선박용 원자로나 잠수함에는 최대 95%까지 농축하여 사용하기도 하는데 중성자 흡수재인 가돌리늄이나 사마륨을 첨가하여 핵연료를 제조한다.
물론 일반 원자로의 핵연료에도 중성자 흡수재인 가돌리늄, 사마륨, 디스프로슘 등을 첨가하여 펠릿을 제조하는데 잉여 중성자가 넘쳐나서 핵분열이 과도하게 일어나는 것을 막기 위해서이다.
농축 우라늄
우라늄의 기체 화합물을 원심분리기(遠心分離機)에 넣고 고속회전에 의한 커다란 원심력을 작용시키면 가벼운 분자는 회전축 가까이에, 무거운 분자는 회전축에서 먼 곳에 모인다.
우라늄 동위 원소
반감기가 15만 9200년이나 되기 때문에 재처리를 하지 않으면 폐기물이 되며 140만년 이상 보관해야 한다.
우라늄 동위 원소
U-234는 원자로에서는 U-233가 중성자를 한개 먹어 생성되기도 한다. U-234는 핵분열을 못하므로 추가로 중성자를 흡수하여 U-235가 되고 또 하나의 중성자가 U-235과 충돌해야 핵분열이 될 수 있다.
우라늄-235
초장기 지구 시절때 우라늄-235는 지각에 2ppm의 농도로 함유되 있던 시절이 있었다. 당시 우라늄-235는 주석만큼이나 풍부하였다.
하지만 반감기가 우라늄-238에 비해 월등히 적기 때문에 급격히 줄어들어 현재는 0.7204%까지 함유량이 줄게 되었다.
우라늄 레이저 농축법
미국은 원자력 발전 핵연료인 농축 우라늄의 차세대 기술인 레이저 농축법(ALVIS)를 채택하기로 결정했다. 기존의 원심분리법(AGC)보다 더 발전된 최신기술이다. 생산원가가 싸고 농축 우라늄의 경쟁력을 회복하기 위한 것이다. 1985년 현재 세계 추세는 가스확산법에서 원심분리법으로 이행, 일본이나 유럽에서는 원심분리법으로 상업적 우라늄 농축을 하고 있다. 미국의 정책 변경은 이들 국가에 큰 영향을 줄 것으로 예상되고 있다.
맨해튼 계획
1945년 7월, 로스앨러모스 연구소는 89%의 우라늄-235로 구성된 농축우라늄 50Kg을 모았다. 이 농축우라늄은 포신형 핵무기의 재료로 사용되었다. 포신형 핵무기의 구조는 두 부분의 우라늄-235 덩어리로 되어있다. 한 쪽은 뇌관 역할을 하는 발사체이고 다른 한 쪽은 대규모 핵분열을 일으키기 위한 탄두이다. 뇌관이 발사되어 탄두와 충돌하면 폴로리움-베릴리움 변형 중성자 기폭제가 중성자를 방사하여 우라늄-235의 핵분열을 유도한다. 임계 질량의 조정은 얼마나 많은 핵분열 물질이 폭탄 내에 모였을 때 핵 연쇄 반응을 유발할 수 있을 것인지에 달렸다. 농축 우라늄 덩어리의 질량이 임계 질량에서 단 1%를 초과하여도 폭탄이 되기에 충분하다. 한편, 농축우라늄이라 할지라도 임계 질량 이하라면 핵 분열은 느리게 진행된다.
악티늄
악티늄은 부드럽고, 은백색인 방사성 금속 원소이다. 악티늄의 전단탄성계수은 납의 전단탄성계수와 비슷한 것으로 추정된다. 악티늄의 강한 방사성에 의해 방출된 활동적인 입자가 악티늄 주변에서 이온화되어 악티늄은 어둠 속에서 연한 푸른빛을 낸다. 악티늄은 란타넘과 란타넘족의 원소들과 비슷한 성질을 가졌기 때문에 이 원소들은 우라늄 광석에서 채취하기가 어렵다. 용매 추출과 이온 크로마토그래피가 채취에 이용되는 주된 방법이다.
플루토늄 동위 원소
원자로 내에서 넵투늄-237이 중성자를 흡수할 때 극미량의 일부가 2개의 중성자를 방출하여 넵투늄-236이 되고 이 중 12.5%가 Pu으로 붕괴된다.
넵투늄-236 자체도 극미량 생성되는데다 반감기도 15만 4천년으로 매우 길므로 이 동위체는 원자로에서 극미량 생성되기 때문에 그리 중요한 동위체는 아니다.
반감기가 2.858년으로 매우 강한 방사선을 내뿜는 우라늄-232로 붕괴되며 매 붕괴 사슬을 거치면서 강한 감마선을 내뿜는다.
플루토늄
플루토늄(←, ←)은 희귀한 초우라늄 방사성 동위원소로 원자번호 94, 기호는 Pu(←)이다. 반감기는 최소 88년에서 최대 808만 년이다. 원자로내에서 우라늄 농축연료를 분열시키거나 U에 중성자를 조사하여 플루토늄을 만든다. 특히 Pu은 고속증식로의 연료로 사용되며, 또한 원자폭탄 제조에 사용된다. 동위원소인 Pu는 원자력 전지에 사용된다. 플루토늄은 독성이 강해 취급에 상당한 주의를 요한다. 최근에는 원자로 내에서 스스로 증식하는 특성을 이용하여 플루토늄을 주 연료로 하는 고속증식로를 전략원자로로 개발하고 있다.
우라늄-235
이렇게 중성자 흡수재를 첨가하면 제어봉과 펠릿 내부의 흡수재가 중성자를 흡수하여 안정적인 핵분열이 가능하게 된다.
우라늄-235
핵연료에는 우라늄-238이 많이 있더라도 다음 동위체인 플루토늄-239가 중성자를 많이 내며 우라늄-235도 열중성자로에서 2.28개의 중성자를 내뿜고 핵분열 효율이 82%에 이르기 때문에 중성자 흡수재를 첨가해야 한다.
우라늄 동위 원소
천연 동위 원소로 자연계에 가장 많이 존재하는데 반감기가 44억 6800만년이나 되기 때문이다. 태양계의 역사보다 1억 400만년 짧은 반감기를 가지고 있기 때문에 태초의 우라늄-238의 양과 비교하면 아직도 49%나 남아있다. 우라늄-238은 우라늄 동위체의 99.28%나 존재하며 핵연료의 희석제로 쓰인다. 고속중성자(자원중성자)를 이용하면 많은 비율을 플루토늄-239로 바꿀 수 있기 때문에 기대되는 동위체이다. 열중성자로에서도 많은 양의 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 대량의 플루토늄-239를 형성하고 실제로 원자로의 에너지의 26%는 플루토늄-239의 핵분열로 생성된다.
우라늄
우라늄(←)은 화학 원소로 원소 기호는 U(←), 원자 번호는 92인 은회색의 방사성 금속 원소이다. 모든 대형 상업용 원자력 발전소에서는 전기 에너지를 얻는 에너지원으로 우라늄을 쓰고 있다. 소프트볼 공만한 크기의 우라늄에서는 그 무게의 300만 배에 해당하는 석탄에서 나오는 것보다 더 많은 에너지를 얻을 수 있다. 또한, 우라늄은 일부 핵무기에 쓰여 엄청난 폭발력을 나타낸다.
CANDU
중수는 CANDU 시스템의 중추역할을 하는데, 중수 덕택에 천연 우라늄을 연료에 집어 넣을 수 있는 장점이 있다(세라믹 형태의 UO). 중수를 사용함으로써 비싼 우라늄 농축시설이 필요없게 되고, 추가적으로 CANDU의 역학적인 배열로 인해, 많은 감속재들이 낮은 온도에 있게 되어 더욱 능률적으로 운전할 수 있을수 있다. 또한 CANDU는 천연우라늄뿐 아니라 농축 우라늄, 심지어 MOX 연료도 태울수 있다.
우라늄 레이저 농축법
레이저 농축법은 천연 우라늄 중에서 우라늄 235만을 이온화 시키는 레이저를 쏘아 이온화 된 우라늄 235를 전자기장을 걸어 가루로 모아오는 방식이다. 천연 우라늄에는 99.3%의 우라늄-238, 0.7%의 우라늄-235이 있으며 핵폭탄이나 원자로에 사용되는 우라늄은 우라늄 235이다.
기체확산법
기체확산법은 우라늄-235와 우라늄-238을 분리하여 농축 우라늄을 제조하기 위한 공정이다. 기체상태의 육불화우라늄(UF)에 혼합되어 있는 육불화우라늄-235(UF)과 육불화우라늄-238(UF)이 비중에 따라 확산 비율이 다른 점을 이용한다.
우라늄-235
스스로 핵분열이 되기 때문에 핵무기로써의 이용도 가능하다.
우라늄-235의 열중성자의 핵분열 비율은 78~82%이며, 고속중성자(자원중성자)의 핵분열 비율도 66~67%나 되기 때문에 좋은 핵무기로 이용가능하다.
핵무기 설계
우라늄-233(U-233)은 인공적으로 만들어진 동위원소이다. 핵반응로에서 토륨-232로부터 만들어진다. U-233의 분열 특성은 U-235와 Pu-239의 중간 정도이다.
플루토늄-239
플루토늄-239(Pu)는 플루토늄의 동위 원소로, 원자력 발전소에서 사용하고 남은 원료에서 우라늄-235와 함께 다량 발견되는 동위체이다.
반감기는 2만 4110년으로 알파 붕괴를 통해 우라늄-235로 붕괴된다.
94개의 양성자와 145개의 중성자로 이루어져 있다.
이산화 우라늄
이 역반응은 우라늄 농축 과정이나 핵연료 재처리로 핵 연료를 만드는데 쓰인다.
우라늄 동위 원소
반감기가 15만 9200년으로 토륨 핵반응으로 인해 생성된다. 열중성자 핵분열 효율이 92%에 이르고 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 84~88%에 이르러 핵연료로 이용할 수 있다.
토륨-232가 중성자를 하나 흡수하여 토륨-233이 되며, 토륨-233은 붕괴를 하여 프로트악티늄-233이 된다. 프로트악티늄-233은 26.975일의 긴 반감기를 거쳐 우라늄-233으로 붕괴된다.
전기 전도체
알루미늄 와이어는 구리전도성의 61%를 가지고 있는데, 낮은 가격 때문에 빌딩와이어에 자주 쓴다. 질량에 비해 구리보다 더 높은 전도성을 가지는데, 알루미늄의 성질이 빌딩와이어로 쓰일 때 문제를 일으킨다. 알루미늄은 연결부위에 열을 일으키는 산화물을 형성한다. 또 열이 과부화 되면, 장치연결을 느슨하게 하면서 모양이 변형될 수 있다. 또 연결면의 다른 물질들과 다른 열팽창계수를 가지고 있어서, 연결을 느슨하게 하는데 가속을 가한다. 하지만 이런 효과들은 배선알루미늄 제품으로 사용이 승인된 장치를 사용하여 피할 수 있다.
어니스트 러더퍼드
1898년 톰슨이 추천한 덕분에 몬트리올에 있는 맥길 대학교로 오라는 제의를 받아들여 맥길의 물리학 연구소장이 된 러더퍼드는 좋은 실험실과 실험실에 있는 희귀했던 방사성 물질인 브롬화 라듐을 사용할 수 있었으며, 프레더릭 소디를 만나서 함께 연구했다. 그 사람들은 방사성 원소인 토륨과 우라늄이 어떻게 정해진 비율로 방사선을 내면서 붕괴하여 시간이 지나면서 여타 원소로 바뀌고 결국 납이 되는지를 알아냈다. 러더퍼드는 방사성 원소들이 일정 양의 절반이 붕괴되는 시간이 일정하다는 사실을 알아내고 그 기간을 방사성 원소의 반감기라고 불렀다. 러더퍼드는 반감기가 물질의 양에 상관없이 일정하다는 사실을 이용해 지구의 연대를 측정했고 당시 켈빈이 제안한 약 6천 년보다 훨씬 오래되었다고 설명했다.
우라늄
천연우라늄은 U(존재 백분율 0.0054 %, 반감기 24만 8000년), U(존재백분율 0.7024 %, 반감기 7억 380만 년), U(존재백분율 99.2742 %, 반감기 44억 6800만년) 등 3종의 동위원소로 이루어지며, 그 밖에 인공적으로 만든 동위원소를 포함하면 질량수 217로부터 242까지 26종이 존재한다. U는 악티늄족 계열 최초의 핵종으로 악티노 우라늄(AcU)이라고도 하며, 열중성자·고속중성자·양성자·i입자·중양성자·i선 등의 충격에 의해서 핵분열하는데, 열중성자에 의한 핵분열에서는 약 200MeV의 에너지를 방출하며 평균 2.5개의 중성자도 방출한다. 따라서 방출된 중성자가 다른 235U 원자를 분열시키도록 조건을 주면 연쇄반응을 일으켜 거대한 에너지를 방출한다.
핵무기 설계
가장 효율적인 반사재는 베릴륨으로 알려져 있으며, 베릴륨 산화물 및 텅스텐 탄화물 역시 거의 비슷하게 효과적이며, 그 다음으로는 우라늄, 텅스텐, 구리, 물, 흑연, 철의 순서로 효과적이다.
핵연료 주기
중수로와 흑연감속 원자로는 천연 우라늄을 사용하지만, 전 세계의 대다수 원자로는 농축 우라늄을 사용한다. 일반적인 발전용 원자로는 U 5%, U 95%인 농축 우라늄을 사용하지만, 선박용 원자로의 경우 약 93%의 U를 사용한다.
테크네튬 동위 원소
반감기가 21만 1100년으로 절멸 핵종이지만 우라늄의 자발 핵분열로 인해 자연계에 미량 존재한다. 원자로의 핵분열 생성물들 중 많은 비율로 생성되므로 매년 500톤 이상 생성된다. 백금처럼 아름다운 빛깔을 띄며 레늄과 성질이 비슷한 보석계통의 원소이지만 방사성 동위 원소이므로 위험해서 실생활에는 쓰이지 않는다.
우라늄정광
처음에는, 우라늄염에서 만들어진 화합물이 밝혀지지 않았었다; 1970년, 미 광산국은 우라늄염을 평삭 공정으로 생기는 최종적인 침전물이며 중우라늄산 암모늄 또는 중우라늄산 나트륨 등으로 지칭하였다. 구성은 여과 과정과 침전물 생성 조건에 따라 다르게 나타났다. 우라늄염 속에서 밝혀진 화합물로는 수산화우라늄, 황화우라늄, 그리고 과산화우라늄 등의 다양한 산화우라늄들이 있다. 현대의 우라늄염은 일반적으로 팔산화 삼중우라늄(UO)이 질량의 70~90퍼센트를 차지한다. 이산화우라늄(UO)이나 삼산화우라늄(UO) 같은 다른 산화물도 존재한다.
우라늄염은 원자로를 위한 연료의 준비에 사용되며, 그 과정을 위해 우라늄염은 순수 UO로 가공되어 가압중수형 원자로(PHWR)를 위한 연료봉이나 천연 우라늄을 사용하는 다른 시스템에 사용된다. 또한 우라늄염은 기체 확산을 사용한 동위원소 분리법 또는 기체 원심 분리법으로, 또는 육플루오르화 우라늄으로 전환하는 방법을 사용해 농축시켜 무기 제작이나 원자로 사용에 적합한 우라늄을 만들어낼 수 있다.
우라늄
우라늄을 농축시키는 데 육플루오린화우라늄을 많이 사용하는데, 화학적 반응은 이렇다.
기장 수출용 신형 연구로
전기를 생산하는 발전용 원자로는 통상 우라늄-235(U-235)가 5% 이하로 농축된 연료를 사용하는 데 비해, HANARO 같은 경우 19% 이상인 농축 우라늄을 사용하고 있다. 기장 수출용 신형 연구로는 세계최초로 우라늄 몰리브덴 판형 핵연료를 사용할 계획이다. 판형 핵연료는 농축도가 20%인 저농축 연료지만 우라늄 밀도가 높고 출력이 높은 기술로 평가받고 있다.
초우라늄 원소
원자 번호 1에서 92까지의 원소는 네 종류(Tc, Pm, At, Fr)를 제외하고는 지구 상에서 어렵지 않게 발견할 수 있다. 안정 원소이거나, 반감기가 긴 동위 원소가 있거나, 우라늄의 붕괴 생성물이다.
우누넨늄
양성자수 Z의 범위가 100 ≤ Z ≤ 130인 1700여개 핵종에 대한 알파 붕괴 반감기 예측에 의하면, 우누넨늄은 질량 291 ~ 307짜리가 μs(마이크로초) 단위로 반감기가 되어 그 시간이 지나면 붕괴되며, 질량 294짜리의 경우는 최대 485μs에서 붕괴되었으며, 질량 302짜리의 경우에는 최대 163μs에서 붕괴된다고 예측되었다. 운비닐륨(Unbinilium)은 그보다 더 짧아서 1 ~ 20 μs에서 붕괴된다.
알루미늄
알루미늄(←, , ←) 또는 반소(礬素←)는 전이후 금속에 속하는 화학 원소로 기호는 Al(←)이고 원자 번호는 13이다.
원자로
대부분의 상업용 비등수형 원자로와 가압수형 원자로는 4%정도의 농축 우라늄을 사용하고, 몇몇 상업용 원자로(흑연이나, 중수를 감속재로 사용하는 경우)들은 감속재의 효과가 좋아 천연 우라늄을 사용하기도 한다.
팔라듐 동위 원소
Pd은 반감기가 650만년으로 태양계 초창기에 많이 존재했었지만, 이미 오래전에 사라진 절멸 핵종이다. 현재 Pd은 우라늄, 토륨의 자발 핵분열로 생성된 미량이 자연계에 존재하며 원자로에서 핵분열로 생성된다.
초우라늄 원소
초우라늄 원소는 모두 다 인공적인 방법으로 합성하여 발견했다. 플루토늄과 넵투늄을 제외하고는 지구 상에서 자연적으로는 발견되지 않는다. 모든 초우라늄 원소는 방사성을 띠며, 반감기가 짧다.
4세대 원자로
가장 큰 특징은 세라믹으로 둘러싸인 우라늄입자를 원료로 사용한다는 점이다. 지름이 0.5mm인 우라늄을 세라믹으로 3중 코팅해 직경 0.9mm의 '피복입자'를 만든다. 크기가 작을 뿐만 아니라 특수코팅 처리가 돼 있어 우라늄이 직접 공기 중에 노출될 일이 없다.
VHTR은 피동안전개념을 채택하고 있다. VHTR은 사고가 발생할 경우, 우선 핵연료에서 발생하는 잔열이 원자로용기(reactor vessel)로 전달되고, 다시 피동안전장치인 원자로공동냉각장치(RCCS)로 전달된다. 그런 다음, 장치 내부에서 가열되어 가벼워진 공기가 상부의 '자연순환 상승관', 즉 굴뚝(chimney)을 통해 외부로 배출된다. 가열된 공기가 빠져나간 공간에 외부의 찬 공기가 흡입되고, 다시 가열되어 배출되는 자연순환 과정이 반복되는 것이다. 격납용기 내부를 공기로 식히기 때문에, 설령 용기가 파손된다 해도 공기가 원자로를 더 잘 식혀줄 수 있다.
알루미늄
자연계에서 미량으로 존재하는 Al은 우주 광선을 통해 생성되며 반감기는 71만 7천 년이다.
생성과정은 우주에서 강한 우주 광선으로 인해 속도가 매우 빠른 양성자가 날아와 Mg의 중성자 한개를 방출하고 대신 양성자 한개가 들어가서 결합되면서 생성된다.
우라늄-238
일반 원자로인 경수로에는 우라늄-238이 95.5%의 비율로 들어가게 된다. 이 중 1.9%가 플루토늄-239로 변하고 0.9% 가 핵분열을 하게 된다. 0.1%인 일부는 중성자를 흡수하여 초우라늄 원소인 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨이 생성된다.
우라늄 동위 원소
반감기는 24만 5천년이며, 자연계에 미량 존재하며 우라늄-238의 붕괴로 생성된다. 토륨 원전의 핵심이며 Pa-233이 중성자를 하나 얻어 생성된다. Pa-233의 반감기가 26.975일이나 되어 U-233으로 붕괴하기도 전에 중성자를 흡수하여 25~27% 이상의 비율이 U-234로 변환되어 토륨 원전의 중성자가 부족하게 되는 원인이 된다. 따라서 중성자를 추가로 공급해주어야 한다.
앨프리드 니어
우라늄-235 시료를 받은 컬럼비아 대학팀은 곧 실험에 착수하였고, 저속중성자에 의해 핵분열을 일으키는 동위원소는 우라늄-235이라는 것이 확인되었다. 보어의 이론이 타당한 것이었다. 특히 우라늄의 연쇄반응을 실행하려면 대규모의 우라늄 동위원소 분리장치가 필요하다는 사실도 알게 되었다. 이러한 동위원소 분리 기술은 맨해튼 프로젝트 기간 중 우라늄-235를 대량 생산하는 데 적용되었고, 이 과정에서 니어는 큰 공헌을 하게 된다.
우라늄-235
우라늄-238과 분리하여 우라늄-235를 최소 60% 이상 농축하여야 하며 농축도가 좋아질수록 무기의 위력이 높아진다. 현재 핵무기의 우라늄-235의 농축비율은 90~99%의 비율을 보이고 있다.