나크

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1. 개요
2. 성질
3. 용도
4. 생산
5. 안전성 및 사고 사례
참조

1. 개요

나크(NaK)는 칼륨과 나트륨의 합금으로, 상온에서 액체 상태를 유지하며 칼륨 함량에 따라 다양한 조성을 갖는다. 높은 열전도율을 가지며, 고속 중성자 원자로의 냉각재, 우주 핵반응로, CPU 쿨러 등에 사용된다. 공기, 물, 유기 물질과 격렬하게 반응하여 화재 및 폭발의 위험이 있으며, 우주 쓰레기를 생성하는 문제도 있다.

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나크 - [화학 물질]에 관한 문서

2. 성질

질량 기준 40%에서 90%의 칼륨을 함유하는 NaK는 상온에서 액체 상태이다.^[4] 공융 혼합물은 질량 기준 77%의 칼륨과 23%의 나트륨으로 구성되며(NaK-77), −12.6℃ ~ 785℃에서 액체 상태를 유지한다.^[4] 밀도는 21℃에서 0.866 g/cm³, 100℃에서 0.855 g/cm³로 물보다 가볍다.^[4]

NaK는 매우 높은 표면 장력을 가지고 있어 많은 양이 뭉쳐지는 경향이 있다. 비열은 982 J/(kg⋅K)로 물의 약 1/4 수준이지만, 높은 열전도율로 인해 온도 구배에 따른 열 전달이 더 높다.^[6] 산업용으로 자주 사용되는 조성으로는 나트륨 56% - 칼륨 44% (비중 0.905 (20℃), 융점 19℃) 및 나트륨 22% - 칼륨 78% (비중 0.867 (20℃), 융점 −11℃, 끓는점 785℃)가 있다.

금속 나트륨의 융점은 97.72℃, 금속 칼륨의 융점은 63.65℃이다. 이들은 혼합함으로써 더 낮은 융점을 갖는 합금을 형성한다.

나크는 공기 중에 보관하면 노란색 과산화 칼륨 코팅이 형성되어 발화될 수 있으며, 물 및 유기 물질과 격렬하게 반응한다.^[7] 대부분의 탄화수소에는 가라앉지 않지만, 가벼운 광유에는 가라앉는다. 과산화물이 형성된 경우 광유에 보관하는 것은 안전하지 않다.^[7] 1999년 12월 8일, 광유로 처리된 NaK를 금속 도구로 긁었을 때 오크리지 Y-12 시설에서 큰 폭발이 발생했다.^[7] 액체 합금은 PTFE("테플론")을 부식시킨다.^[8] 또한 다이메틸다이클로로실레인을 Si-Si 골격과 메틸 라디칼을 가진 폴리실레인으로 중합하며, 주로 도데카메틸사이클로헥사실레인이다.^[9]

금속 나트륨의 융점은 97.72℃, 금속 칼륨의 융점은 63.65℃이다. 이들은 혼합함으로써, 더 낮은 융점을 갖는 합금을 형성한다.

칼륨이 40%에서 90%의 혼합비인 것이 일반적으로 사용되지만, 산업용으로 자주 사용되는 것은

나트륨 56% - 칼륨 44% - 비중 0.905 (20℃), 융점 19℃
나트륨 22% - 칼륨 78% - 비중 0.867 (20℃), 융점 −11℃（−12.6℃라는 문헌도 있음）, 끓는점 785℃

이다.

나트륨 칼륨 합금의 열매체로서의 우위성은, 금속이기 때문에 매우 높은 열전도율을 가지고, 상온에서 액체이기 때문에 플랜트를 정지해도 고화되지 않고, 증기압이 극히 낮아 기화되어 확산되지 않는다는 점이 있다. 그 반면에, 누출된 경우에는 공기나 수분과 폭발적으로 반응하여 불이 붙는 것이 치명적인 문제이다.

공기나 물과 반응한 나트륨 칼륨 합금은 초산화물, 과산화물, 산화물, 수산화물 등을 거쳐 공기 중의 이산화 탄소와 반응하여 탄산염 등이 되지만, 수산화물 단계까지는 독성이 매우 강하고, 부식성도 매우 강하므로 접촉은 위험하다.

소화법으로는, 건조한 모래, 버미큘라이트, 펄라이트를 덮어 공기와의 접촉을 차단하거나, 다 타 없어지기를 기다리는 방법밖에 없다. 주수 소화는 물론 불가능하고, 이산화 탄소를 환원시켜 계속 타기 때문에 이산화 탄소 소화도 적용할 수 없다.

Cs77K23 (-37.5℃), Cs19Na (-30℃), Na2Rb23 (-5℃) 등 융점이 낮은 다른 합금들도 존재한다. 세슘(40.8%), 나트륨(11.8%), 칼륨(47.4%)으로 구성된 합금은 -79.4℃의 매우 낮은 융점을 갖는다.

2. 1. 물리적 성질

질량 기준 40%에서 90%의 칼륨을 함유하는 NaK는 상온에서 액체 상태이다.^[4] 공융 혼합물은 질량 기준 77%의 칼륨과 23%의 나트륨으로 구성되며(NaK-77), −12.6℃ ~ 785℃에서 액체 상태를 유지한다.^[4] 밀도는 21℃에서 0.866 g/cm³, 100℃에서 0.855 g/cm³로 물보다 가볍다.^[4]

NaK는 매우 높은 표면 장력을 가지고 있어 많은 양이 뭉쳐지는 경향이 있다. 비열은 982 J/(kg⋅K)로 물의 약 1/4 수준이지만, 높은 열전도율로 인해 온도 구배에 따른 열 전달이 더 높다.^[6] 산업용으로 자주 사용되는 조성으로는 나트륨 56% - 칼륨 44% (비중 0.905 (20℃), 융점 19℃) 및 나트륨 22% - 칼륨 78% (비중 0.867 (20℃), 융점 −11℃, 끓는점 785℃)가 있다.

금속 나트륨의 융점은 97.72℃, 금속 칼륨의 융점은 63.65℃이다. 이들은 혼합함으로써 더 낮은 융점을 갖는 합금을 형성한다.

2. 2. 화학적 성질

나크는 공기 중에 보관하면 노란색 과산화 칼륨 코팅이 형성되어 발화될 수 있으며, 물 및 유기 물질과 격렬하게 반응한다.^[7] 대부분의 탄화수소에는 가라앉지 않지만, 가벼운 광유에는 가라앉는다. 과산화물이 형성된 경우 광유에 보관하는 것은 안전하지 않다.^[7] 1999년 12월 8일, 광유로 처리된 NaK를 금속 도구로 긁었을 때 오크리지 Y-12 시설에서 큰 폭발이 발생했다.^[7] 액체 합금은 PTFE("테플론")을 부식시킨다.^[8] 또한 다이메틸다이클로로실레인을 Si-Si 골격과 메틸 라디칼을 가진 폴리실레인으로 중합하며, 주로 도데카메틸사이클로헥사실레인이다.^[9]

\ce{6 (CH3)2SiCl2 + 12 M -> [(CH3)2Si]6 + 12 MCl} \ \ce{(M = Na, K)}

금속 나트륨의 융점은 97.72℃, 금속 칼륨의 융점은 63.65℃이다. 이들은 혼합하여 더 낮은 융점을 갖는 합금을 형성한다. 칼륨이 40%에서 90%의 혼합비인 것이 일반적이다.

나트륨 칼륨 합금은 금속이기 때문에 매우 높은 열전도율을 가지고, 상온에서 액체이기 때문에 플랜트 정지 시 고화되지 않으며, 증기압이 매우 낮아 기화되어 확산되지 않는다는 장점이 있다. 그러나 누출 시 공기나 수분과 폭발적으로 반응하여 화재를 일으키는 치명적인 문제가 있다.

공기나 물과 반응한 나트륨 칼륨 합금은 초산화물, 과산화물, 산화물, 수산화물 등을 거쳐 공기 중의 이산화 탄소와 반응하여 탄산염 등이 되지만, 수산화물 단계까지는 독성이 매우 강하고 부식성도 매우 강하므로 접촉은 위험하다.

소화 방법으로는 건조한 모래, 버미큘라이트, 펄라이트를 덮어 공기와의 접촉을 차단하거나, 다 타 없어지기를 기다리는 방법밖에 없다. 주수 소화는 불가능하며, 이산화 탄소를 환원시켜 계속 타기 때문에 이산화 탄소 소화도 적용할 수 없다.

2. 3. 추가적인 저융점 합금

Cs77K23 (-37.5℃), Cs19Na (-30℃), Na2Rb23 (-5℃) 등 융점이 낮은 다른 합금들도 존재한다. 세슘(40.8%), 나트륨(11.8%), 칼륨(47.4%)으로 구성된 합금은 -79.4℃의 매우 낮은 융점을 갖는다.

3. 용도

NaK는 실험적인 고속 중성자 원자로의 냉각재로 사용되어 왔다. 상업용 발전소와 달리, 이러한 원자로는 자주 가동이 중단되고 연료가 제거된다. 납 또는 순수한 나트륨을 사용하려면 냉각재를 액체 상태로 유지하기 위해 지속적인 가열이 필요하지만, NaK를 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다. 돈레이 고속로가 그 예이다.

최초의 우주 핵반응로^[10]^[11]인 미국의 실험 위성 SNAP-10A는 NaK를 냉각재로 사용했다. NaK는 액체 금속 직류 전도형 펌프에 의해 코어와 열전 변환기를 순환했다.^[12] 이 위성은 1965년에 발사되었으며,^[13] 2022년 현재 미국이 우주로 발사한 유일한 핵분열 원자로 동력 시스템이다.^[14]

소련의 RORSAT 레이더 위성은 NaK로 냉각되는 BES-5 원자로에 의해 전력이 공급되었다.^[15]^[16] NaK는 넓은 액체 온도 범위 외에도 매우 낮은 증기압을 가지고 있어 우주 진공 상태에서 중요하다.

궤도 위성에서 냉각재로 사용한 결과, 추가적인 우주 쓰레기가 생성되는 의도하지 않은 문제가 발생했다. NaK 냉각재는 코스모스 1818 및 코스모스 1867을 포함한 여러 위성에서 누출되었다. 냉각재는 최대 수 센티미터 크기의 나트륨-칼륨 방울로 자체 형성된다.^[17] 이 물체는 우주 쓰레기이다.^[18]

Danamics LMX Superleggera CPU 쿨러는 NaK를 사용하여 CPU의 열을 냉각 핀으로 전달한다.^[19]

고속증식로의 열매체로 이용되었다.^[26] 고속증식로는 발생하는 열량이 특히 많고, 중성자를 투과시키는(포획하기 어려운) 필요가 있기 때문이다. 그러나 나트륨-칼륨 합금은 단일 금속 나트륨이나 금속 칼륨보다 반응성이 크고, 누출 시 위험성이 높기 때문에, 현재 이 용도에서는 더 위험성이 낮은 가열하여 액체로 만든 금속 나트륨의 사용으로 전환되고 있다. 일반 시설에서는 취급이 위험하고, 유지보수가 어렵기 때문에 거의 사용되지 않는다.

원자로의 열매체로 사용된 나트륨-칼륨 합금의 누출 사고 사례로는, 배관 부식 사고가 있다.^[27]^[28]

나트륨-칼륨 합금과 성질이 유사한 나트륨 누출 사고에 대해서는, 냉각재#냉각재에 관한 사고 사례에 지적이 있다.

소련의 RORSAT 해양 정찰 위성은 전원으로서 플루토늄 전지를 사용했지만, 이 냉매로 나트륨-칼륨 합금이 사용되었다. 또한, 이 위성에서 누출된 합금의 일부는 고도 800–1000km의 대기권 밖에서의 우주 쓰레기가 되고 있다.^[29]^[30]^[31]^[32]

NaK는 물과 접촉하면 수소를 생성한다.^[20] 따라서, 증류 전에 용매를 건조하는 건조제로 사용된다.^[20] 나트륨 칼륨 합금은 물에 대해 민감하게 반응하므로, 에테르류 등 유기 용매 등의 탈수에 사용된다. 금속 나트륨 와이어 등을 사용하는 경우보다 나트륨 칼륨 합금을 사용했을 때, 용매와의 접촉부가 교반되어 갱신되므로 더 높은 탈수 효과를 얻을 수 있다. 하지만, 대상이 되는 용매의 탈수 정도가 낮은 경우에는 반응에 의한 발화 등이 발생하므로 위험하다.

공융 나크(NaK-77, 질량으로 77%의 칼륨과 23%의 나트륨 합금)는 -12°C에서 760°C의 온도 범위에서 고온 및 고방사선 환경에서 유압 작동유로 사용될 수 있다.^[21] 538°C에서의 체적 탄성률은 2.14 GPa로, 실온에서의 유압 오일보다 높다. 윤활성이 좋지 않아 용적형 펌프는 부적합하며 원심 펌프를 사용해야 한다.^[21] 세슘을 첨가하면 유용한 온도 범위가 -71°C에서 704°C로 바뀐다. NaK-77은 초음속 저고도 미사일의 유압 및 유체 시스템에서 테스트되었다.^[21] NaK는 또한 수은 대신 고온 압력 변환기 내부의 힘을 전달하는 데 사용될 수 있다.^[22]

NaK는 아이소뷰틸벤젠(이부프로펜의 전구체)과 같은 일부 반응에서 촉매로 사용될 수 있다.^[23] 유기 합성에 사용되는 반응 시약으로 사용된다. 아실로인 축합에 사용되며, 분자 내의 할로겐 원소를 강력하게 환원하기 때문에 폴리염화 바이페닐(PCB) 등 유기 염소 화합물의 처리에 활용하는 연구도 이루어지고 있다.^[33]

나트륨 칼륨 합금은 물에 대해 민감하게 반응하므로, 에테르류 등 유기 용매 등의 탈수에 사용된다. 이 용도로는 금속 나트륨 와이어 등을 사용하는 경우가 많지만, 이 경우에는 표면이 산화되는 등 활성이 떨어지는 경우가 있다. 나트륨 칼륨 합금을 사용한 경우에는 용매와의 접촉부가 교반되는 것만으로 갱신되어 높은 탈수 효과를 얻을 수 있다. 다만, 대상이 되는 용매의 탈수 정도가 낮은 경우에는 반응에 의한 발화 등이 발생하므로 위험하다.

3. 1. 냉각재

NaK는 실험적인 고속 중성자 원자로의 냉각재로 사용되어 왔다. 상업용 발전소와 달리, 이러한 원자로는 자주 가동이 중단되고 연료가 제거된다. 납 또는 순수한 나트륨을 사용하려면 냉각재를 액체 상태로 유지하기 위해 지속적인 가열이 필요하지만, NaK를 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다. 돈레이 고속로가 그 예이다.

최초의 우주 핵반응로^[10]^[11]인 미국의 실험 위성 SNAP-10A는 NaK를 냉각재로 사용했다. NaK는 액체 금속 직류 전도형 펌프에 의해 코어와 열전 변환기를 순환했다.^[12] 이 위성은 1965년에 발사되었으며,^[13] 2022년 현재 미국이 우주로 발사한 유일한 핵분열 원자로 동력 시스템이다.^[14]

소련의 RORSAT 레이더 위성은 NaK로 냉각되는 BES-5 원자로에 의해 전력이 공급되었다.^[15]^[16] NaK는 넓은 액체 온도 범위 외에도 매우 낮은 증기압을 가지고 있어 우주 진공 상태에서 중요하다.

궤도 위성에서 냉각재로 사용한 결과, 추가적인 우주 쓰레기가 생성되는 의도하지 않은 문제가 발생했다. NaK 냉각재는 코스모스 1818 및 코스모스 1867을 포함한 여러 위성에서 누출되었다. 냉각재는 최대 수 센티미터 크기의 나트륨-칼륨 방울로 자체 형성된다.^[17] 이 물체는 우주 쓰레기이다.^[18]

Danamics LMX Superleggera CPU 쿨러는 NaK를 사용하여 CPU의 열을 냉각 핀으로 전달한다.^[19]

고속증식로의 열매체로 이용되었다.^[26] 고속증식로는 발생하는 열량이 특히 많고, 중성자를 투과시키는(포획하기 어려운) 필요가 있기 때문이다. 그러나 나트륨-칼륨 합금은 단일 금속 나트륨이나 금속 칼륨보다 반응성이 크고, 누출 시 위험성이 높기 때문에, 현재 이 용도에서는 더 위험성이 낮은 가열하여 액체로 만든 금속 나트륨의 사용으로 전환되고 있다. 일반 시설에서는 취급이 위험하고, 유지보수가 어렵기 때문에 거의 사용되지 않는다.

원자로의 열매체로 사용된 나트륨-칼륨 합금의 누출 사고 사례로는, 배관 부식 사고가 있다.^[27]^[28]

나트륨-칼륨 합금과 성질이 유사한 나트륨 누출 사고에 대해서는, 냉각재#냉각재에 관한 사고 사례에 지적이 있다.

소련의 RORSAT 해양 정찰 위성은 전원으로서 플루토늄 전지를 사용했지만, 이 냉매로 나트륨-칼륨 합금이 사용되었다. 또한, 이 위성에서 누출된 합금의 일부는 고도 800–1000km의 대기권 밖에서의 우주 쓰레기가 되고 있다.^[29]^[30]^[31]^[32]

3. 2. 건조제

나크는 물과 접촉하면 수소를 생성한다.^[20] 따라서, 증류 전에 용매를 건조하는 건조제로 사용된다.^[20] 나트륨 칼륨 합금은 물에 대해 민감하게 반응하므로, 에테르류 등 유기 용매 등의 탈수에 사용된다. 금속 나트륨 와이어 등을 사용하는 경우보다 나트륨 칼륨 합금을 사용했을 때, 용매와의 접촉부가 교반되어 갱신되므로 더 높은 탈수 효과를 얻을 수 있다. 하지만, 대상이 되는 용매의 탈수 정도가 낮은 경우에는 반응에 의한 발화 등이 발생하므로 위험하다.

3. 3. 유압 작동유

공융 나크(NaK-77, 질량으로 77%의 칼륨과 23%의 나트륨 합금)는 -12°C에서 760°C의 온도 범위에서 고온 및 고방사선 환경에서 유압 작동유로 사용될 수 있다.^[21] 538°C에서의 체적 탄성률은 2.14 GPa로, 실온에서의 유압 오일보다 높다. 윤활성이 좋지 않아 용적형 펌프는 부적합하며 원심 펌프를 사용해야 한다.^[21] 세슘을 첨가하면 유용한 온도 범위가 -71°C에서 704°C로 바뀐다. NaK-77은 초음속 저고도 미사일의 유압 및 유체 시스템에서 테스트되었다.^[21] NaK는 또한 수은 대신 고온 압력 변환기 내부의 힘을 전달하는 데 사용될 수 있다.^[22]

3. 4. 화학 반응

NaK는 아이소뷰틸벤젠(이부프로펜의 전구체)과 같은 일부 반응에서 촉매로 사용될 수 있다.^[23] 유기 합성에 사용되는 반응 시약으로 사용된다. 아실로인 축합에 사용되며, 분자 내의 할로겐 원소를 강력하게 환원하기 때문에 폴리염화 바이페닐(PCB) 등 유기 염소 화합물의 처리에 활용하는 연구도 이루어지고 있다.^[33]

나트륨 칼륨 합금은 물에 대해 민감하게 반응하므로, 에테르류 등 유기 용매 등의 탈수에 사용된다. 이 용도로는 금속 나트륨 와이어 등을 사용하는 경우가 많지만, 이 경우에는 표면이 산화되는 등 활성이 떨어지는 경우가 있다. 나트륨 칼륨 합금을 사용한 경우에는 용매와의 접촉부가 교반되는 것만으로 갱신되어 높은 탈수 효과를 얻을 수 있다. 다만, 대상이 되는 용매의 탈수 정도가 낮은 경우에는 반응에 의한 발화 등이 발생하므로 위험하다.

4. 생산

산업적으로, NaK는 반응 증류 방식으로 생산된다.^[24]

5. 안전성 및 사고 사례

참조

_[1] 서적 Sodium-NaK engineering handbook https://www.osti.gov[...] Gordon & Breach 2018-06-27
_[2] 서적 Emergency Characterization of Unknown Materials https://books.google[...] CRC Press 2007
_[3] 논문 Über das Zustandsdiagramm der Kalium-Natriumlegierungen
_[4] 웹사이트 Sodium-Potassium Alloy (NaK) http://www.basf.com/[...] BASF 2009-03-05
_[5] 웹사이트 MSDS http://www.strem.com[...] 2012-04-04
_[6] 웹사이트 Danamics LM10 - Liquid metal put to the test http://www.nordichar[...] NordicHardware 2010-01-10
_[7] 웹사이트 Y-12 NaK Accident Investigation http://www.hss.energ[...] U.S. Department of Energy 2000-02
_[8] 서적 Liquid-metals Handbook https://books.google[...] 2009-10
_[9] 간행물 Dodecamethylcyclohexasilane
_[10] 웹사이트 History of US Astronuclear Reactors part 1: SNAP-2 and 10A https://beyondnerva.[...] 2024-04-25
_[11] 웹사이트 The First Nuclear Reactor in Orbit https://www.drewexma[...] 2024-04-25
_[12] 서적 SNAP 10A Test Program Rockwell International, Canoga Park, California 1988-09
_[13] 뉴스 Reactor goes into space http://nla.gov.au/nl[...] 2024-04-25
_[14] 보고서 NASA Utilization of Space Nuclear Systems for Robotic and Human Exploration Missions https://www.nasa.gov[...] NASA 2024-04-25
_[15] 웹사이트 Old Nuclear-Powered Soviet Satellite Acts Up http://www.space.com[...] 2014-08-26
_[16] 서적 Space debris: models and risk analysis https://books.google[...] Springer 2006-02-23
_[17] 간행물 Size distribution of NaK droplets for MASTER-2009 2009-03-30
_[18] 웹사이트 Effects of the RORSAT NaK Drops on the Long Term Evolution of the Space Debris Population https://www.research[...]
_[19] 웹사이트 Danamics LMX Superleggera Cooler Review http://www.bit-tech.[...] 2014-02-11
_[20] 간행물 Speicherung und Transport http://dx.doi.org/10[...] Springer Fachmedien Wiesbaden 2020-06-10
_[21] 서적 Controlled Bombs and Guided Missiles of the World War II and Cold War Eras 2002
_[22] 웹사이트 NaK Melt Pressure Transducers & Transmitters https://www.mpipress[...] 2022-07-23
_[23] 특허 "Isobutylbenzene Preparation" 1961-08-08
_[24] 서적 The Manufacture of Potassium and NaK 1957-01-01
_[25] 논문 Über das Zustandsdiagramm der Kalium-Natriumlegierungen
_[26] 웹사이트 文部科学省研究計画・評価分科会資料　各国の高速増殖炉におけるNaK系合金の採用例(PDF) https://warp.da.ndl.[...]
_[27] 웹사이트 原子力百科事典ATOMICA 開発中の原子炉および研究炉等高速増殖炉高速増殖炉の安全性海外諸国の高速炉における事故・故障・トラブル（ナトリウム漏えいを除く） (03-01-03-10) https://atomica.jaea[...]
_[28] 웹사이트 原子力百科事典ATOMICA 開発中の原子炉および研究炉等高速増殖炉高速増殖炉の安全性海外諸国の高速炉におけるナトリウム漏えい事故 (03-01-03-08) https://atomica.jaea[...]
_[29] 웹사이트 ISASニュース 1998.9　No.210 スペースデブリ問題 https://www.isas.jax[...]
_[30] 웹사이트 CiteSeer Effects Of The Rorsat NaK Drops On The Long Term Evolution Of The Space Debris Population http://citeseer.ist.[...]
_[31] 웹사이트 bulletin 109 — february 2002,Detecting, Tracking and Imaging Space Debris http://www.esa.int/e[...]
_[32] 웹사이트 Advances in Space Research Volume 35, Issue 7, 2005, Pages 1290-1295 Space Debris Size distribution of NaK droplets released during RORSAT reactor core ejection http://www.sciencedi[...]
_[33] 웹사이트 国立環境研究所特別研究報告（SR-48-2002）環境ホルモンの分解処理要素技術に関する研究（平成11～14年度） https://www.nies.go.[...]

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