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넵투늄 동위 원소

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목차

1. 개요

넵투늄은 원자 번호 93번의 방사성 원소로, 안정적인 동위 원소가 없어 표준 원자량은 정의되지 않는다. 넵투늄 동위 원소는 225Np부터 244Np까지 20가지가 알려져 있으며, 가장 안정한 것은 237Np이다. 237Np은 214만 4000년의 반감기를 가지며 알파 붕괴를 통해 233Pa으로 붕괴한다. 넵투늄-235, 넵투늄-236, 넵투늄-237, 넵투늄-239 등은 주요 동위 원소로, 각각의 붕괴 방식과 생성물이 다르다. 넵투늄-237은 플루토늄-238 생산에 사용되며, 핵연료 주기에서 생성되어 핵 폐기물 관리의 중요한 대상이 된다.

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넵투늄 동위 원소
핵종 정보
기호Np
안정 동위 원소
안정 동위 원소 없음안정 동위 원소는 없다.
대표적인 동위 원소
핵종237Np
존재 비율미량
반감기2.144 × 106 년
붕괴 방식α 붕괴
붕괴 생성물233Pa
넵투늄-235
핵종235Np
반감기396.1 일
붕괴 방식α 붕괴 (231Pa로 붕괴)
ε 붕괴 (235U로 붕괴)
넵투늄-236
핵종236Np
반감기1.54 × 105 년
붕괴 방식ε 붕괴 (236U로 붕괴)
β- 붕괴 (236Pu로 붕괴)
α 붕괴 (232Pa로 붕괴)
넵투늄-237
핵종237Np
반감기2.144 × 106 년
붕괴 방식α 붕괴 (233Pa로 붕괴)
넵투늄-239
핵종239Np
반감기2.356 일
붕괴 방식β− 붕괴 (239Pu로 붕괴)

2. 넵투늄 동위원소

30Mg238Np93145238.0509464(20)2.117(2) dβ-238Pu2+238mNp2300(200)# keV112(39) ns239Np93146239.0529390(22)2.356(3) dβ-239Pu5/2+240Np93147240.056162(16)61.9(2) minβ-240Pu(5+)240mNp20(15) keV7.22(2) minβ- (99.89%)240Pu1(+)IT (0.11%)240Np241Np93148241.05825(8)13.9(2) minβ-241Pu(5/2+)242Np93149242.06164(21)2.2(2) minβ-242Pu(1+)242mNp0(50)# keV5.5(1) min6+#243Np93150243.06428(3)#1.85(15) minβ-243Pu(5/2-)244Np93151244.06785(32)#2.29(16) minβ-244Pu(7-)



넵투늄-237은 우라늄-238에 고속 중성자를 조사하여 생성된 우라늄-237이 베타 붕괴하여 생성된다.[24] 또한, 넵투늄-237은 핵무기 폭발에 의해 생성[25]되므로 핵실험의 방사성 낙진으로도 알려져 있다.[26]

2. 1. 주요 동위원소

넵투늄의 주요 동위 원소는 다음과 같다.

동위 원소반감기붕괴 방식붕괴 에너지 (MeV)붕괴 생성물
넵투늄-235396.1일알파 붕괴5.2프로트악티늄-231
전자 포획0.125우라늄-235
넵투늄-23615만 4,000년전자 포획0.93우라늄-236
베타 붕괴0.48플루토늄-236
알파 붕괴5.007프로트악티늄-232
넵투늄-237214만 4000년알파 붕괴를 포함한 넵투늄 계열탈륨-205
넵투늄-2392.356일β− 붕괴플루토늄-239

2. 1. 1. 넵투늄-235

'''넵투늄-235'''는 중성자 142개를 가지며 반감기는 396.1일이다. 이 동위 원소는 붕괴 에너지 5.2 MeV로 알파 붕괴하여 프로트악티늄-231이 되거나, 0.125 MeV의 붕괴 에너지로 전자 포획을 하여 우라늄-235가 된다.

이 넵투늄 동위 원소의 질량은 235.0440633 u이다.

2. 1. 2. 넵투늄-236

'''넵투늄-236'''은 중성자 143개를 가지며 반감기는 15만 4,000년이다. 넵투늄-236은 다음과 같은 방법으로 방사성 붕괴한다.

넵투늄-236의 질량은 236.04657 u이다. 핵분열성 물질이며, 추정 임계 질량은 6.79kg이지만,[14] 정확한 실험 데이터는 아직 없다.[15]

넵투늄-236은 넵투늄-237의 (n,2n) 및 (γ,n) 포획 반응을 통해 소량으로 생성되지만,[16] 부모 동위 원소인 넵투늄-237로부터 상당한 양으로 분리하는 것은 거의 불가능하다.[17] 이러한 이유로, 낮은 임계 질량과 높은 중성자 단면적에도 불구하고 무기 또는 원자로의 핵연료로 광범위하게 연구되지 않았다.[15] 그럼에도 불구하고, 넵투늄-236은 긴 반감기를 가지는 베타 방출이 우세하기 때문에 질량 분석법 및 방사성 추적자로 사용되는 것이 고려되었다.[18] 이 동위 원소에 대한 몇 가지 대체 생산 경로가 연구되었으며, 즉 넵투늄-237 또는 이성체 넵투늄-236m으로부터 동위 원소 분리를 줄이는 경로이다. 넵투늄-236을 축적하기에 가장 유리한 반응은 우라늄-238에 대한 양성자 및 중수소 조사로 나타났다.[18]

2. 1. 3. 넵투늄-237

넵투늄-237 붕괴 도식(간략화)


'''넵투늄-237'''은 안정적인 탈륨-205로 붕괴되는 넵투늄 계열을 통해 붕괴한다. 이는 안정적인 납 동위 원소로 붕괴하는 다른 대부분의 악티늄족 원소와는 다르다.

2002년, 넵투늄-237은 약 60 kg의 임계 질량을 가진 핵무기와 같이 고속 중성자를 사용하여 연쇄 반응을 유지할 수 있다는 것이 밝혀졌다.[19] 그러나 열 중성자를 충돌시킬 때 핵분열 확률이 낮아 경수형 원자로의 연료로는 적합하지 않다(예: 고속로 또는 가속기 구동 시스템).

넵투늄-237은 핵연료 주기에서 상당한 양으로 생성되는 유일한 넵투늄 동위 원소로, 우라늄-235 (대부분 핵분열을 하지만 항상 그런 것은 아님) 및 우라늄-236의 연속적인 중성자 포획 또는 속중성자가 때때로 우라늄-238이나 플루토늄 동위 원소에서 중성자를 떨어뜨리는 (n,2n) 반응에 의해 생성된다. 장기적으로 넵투늄-237은 아메리슘-241의 붕괴 생성물로 사용후 핵연료에서도 생성된다.

넵투늄-237은 유카 산 핵 폐기물 처리장 (네바다) 부지에서 가장 이동성이 높은 방사성 핵종 중 하나로 간주되며, 이곳에서는 불포화대의 화산 응회암 상부에서 산화 조건이 지하수면 위에 존재한다.

넵투늄-237이 중성자 충격을 받으면 중성자를 포획하여 베타 붕괴를 거쳐 플루토늄-238이 되는데, 이 생성물은 전력 및 열 생산을 위한 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG 또는 RITEG)에서 열 에너지원으로 유용하게 사용된다. 최초의 열전 발전기인 SNAP (핵 보조 동력 시스템)은 1960년대에 NASA에서 개발되어 아폴로 계획 동안 우주 비행사가 달 표면에 남긴 기기에 전력을 공급하는 데 사용되었다. 열전 발전기는 심우주 탐사선인 파이오니어 10호 및 11호, 보이저 계획, 카시니-호이겐스 미션, 뉴 호라이즌스와 같은 탐사선에도 탑재되었다. 또한 화성 과학 실험실 (큐리오시티 로버)과 화성 2020 미션 (퍼서비어런스 로버)에 전력 및 열을 공급하며, 이 두 로버는 모두 화성의 차가운 표면을 탐사하고 있다. 큐리오시티와 퍼서비어런스 로버는 모두 다중 임무 RTG의 마지막 버전을 탑재하고 있으며, 이는 보다 효율적이고 표준화된 시스템으로 MMRT라고 불린다.

이러한 응용 분야는 탐사선이 태양에서 너무 멀리 떨어져 있거나, 로버가 오랜 기간 동안 햇빛을 가릴 수 있는 기후 현상(예: 화성 먼지 폭풍)에 직면하여 광전력 공급원이 약하거나 일관성이 없는 경우 경제적으로 실용적이다. 우주 탐사선과 로버는 또한 발전기의 열 출력을 사용하여 기기와 내부를 따뜻하게 유지한다.[20]

플루토늄-238의 긴 반감기(T ~ 88년)와 탑재된 전자 부품 작동을 방해하거나 사람에게 방사선을 조사할 수 있는 γ선이 없다는 점 때문에 이 물질은 전기 열 발전기에 적합한 방사성 핵종이다.

따라서 넵투늄-237은 유지 보수가 필요 없는, 신뢰할 수 있고 오래 지속되는 에너지원을 필요로 하는 심우주 탐사에 필수적인 플루토늄-238 생산의 핵심 방사성 핵종이다.

맨해튼 계획 이후 핸포드 핵 단지(1943년부터 1977년까지 워싱턴주에서 운영)와 원자 무기 개발 덕분에 미국에서 축적된 플루토늄-238 비축량은 현재 거의 고갈되었다. 따라서 로봇 탐사선에 의한 우주 탐사에 필요한 재고를 보충하기 위해 플루토늄-238 생산을 재개하려면 사용후 핵연료에서 충분한 양의 넵투늄-237을 추출하고 정제하는 것이 필요하다.

넵투늄-237은 우라늄-238에 고속 중성자를 조사하여 생성된 우라늄-237이 베타 붕괴하여 생성된다.[24] 또한, 넵투늄-237은 핵무기 폭발에 의해 생성[25]되므로 핵실험의 방사성 낙진으로도 알려져 있다.[26]

2. 1. 4. 넵투늄-239

넵투늄-239는 중성자가 146개이고 반감기가 2.356일이다. 우라늄-239의 β− 붕괴를 통해 생성되며, 또 다른 β− 붕괴를 거쳐 플루토늄-239가 된다. 이는 플루토늄을 만드는 주요 경로이며, 239U는 우라늄-238의 중성자 포획을 통해 생성될 수 있다.[21]

우라늄-237과 넵투늄-239는 핵 폭발로 인한 핵 낙진 이후 첫 1시간에서 1주일 동안 주요 위험 방사성 동위원소로 간주되며, 239Np는 "수일 동안 스펙트럼을 지배"한다.[22][23]

3. 넵투늄 동위원소 표

핵종Z(p)N(n)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식[27][28]붕괴 생성물핵 스핀
225Np93132225.03391(8)3# ms [>2 µs]α221Pa9/2-#
226Np93133226.03515(10)#35(10) msα222Pa
227Np93134227.03496(8)510(60) msα (99.95%)223Pa5/2-#
β+ (0.05%)227U
228Np93135228.03618(21)#61.4(14) sβ+ (59%)228Urowspan=3|
α (41%)224Pa
β+, SF (0.012%)다양
229Np93136229.03626(9)4.0(2) 분α (51%)225Pa5/2+#
β+ (49%)229U
230Np93137230.03783(6)4.6(3) 분β+ (97%)230Urowspan=2|
α (3%)226Pa
231Np93138231.03825(5)48.8(2) 분β+ (98%)231U(5/2)(+#)
α (2%)227Pa
232Np93139232.04011(11)#14.7(3) 분β+ (99.99%)232U(4+)
α (0.003%)228Pa
233Np93140233.04074(5)36.2(1) 분β+ (99.99%)233U(5/2+)
α (0.001%)229Pa
234Np93141234.042895(9)4.4(1) 일β+234U(0+)
235Np93142235.0440633(21)396.1(12) 일ε235U5/2+
α (0.0026%)231Pa
236Np93143236.04657(5)1.54(6)×105 년ε (87.3%)236U(6-)
β- (12.5%)236Pu
α (0.16%)232Pa
236mNp60(50) keV22.5(4) 시간ε (52%)236U1
β- (48%)236Pu
237Np[29][30]93144237.0481734(20)2.144(7)×106 년α233Pa5/2+
SF (2×10−10%)다양
CD (4×10−12%)207Tl, 30Mg
238Np93145238.0509464(20)2.117(2) 일β-238Pu2+
238mNp2300(200)# keV112(39) ns|
239Np93146239.0529390(22)2.356(3) 일β-239Pu5/2+
240Np93147240.056162(16)61.9(2) 분β-240Pu(5+)
240mNp20(15) keV7.22(2) 분β- (99.89%)240Pu1(+)
IT (0.11%)240Np
241Np93148241.05825(8)13.9(2) 분β-241Pu(5/2+)
242Np93149242.06164(21)2.2(2) 분β-242Pu(1+)
242mNp0(50)# keV5.5(1) 분| 6+#
243Np93150243.06428(3)#1.85(15) 분β-243Pu(5/2-)
244Np93151244.06785(32)#2.29(16) 분β-244Pu(7-)


4. 핵연료 주기 및 폐기물 관리

넵투늄-237은 핵연료 주기에서 상당한 양으로 생성되는 유일한 넵투늄 동위 원소이다. 우라늄-235 및 우라늄-236의 연속적인 중성자 포획, 또는 속중성자가 때때로 우라늄-238이나 플루토늄 동위 원소에서 중성자를 떨어뜨리는 (n,2n) 반응에 의해 생성된다. 장기적으로 넵투늄-237은 아메리슘-241의 붕괴 생성물로 사용후 핵연료에서 생성된다.[1]

4. 1. 유카 산 핵 폐기물 처리장

넵투늄-237은 유카 산 핵 폐기물 처리장(네바다) 부지에서 가장 이동성이 높은 방사성 핵종 중 하나로 간주된다. 이곳에서는 불포화대의 화산 응회암 상부에서 산화 조건이 지하수면 위에 존재한다.[1]

참조

[1] 논문 Occurrence of the (4n + 1) series in nature https://digital.libr[...] 1952
[2] 논문 New isotope 220Np: Probing the robustness of the ''N'' = 126 shell closure in neptunium 2019
[3] 논문 Alpha decay properties of the semi-magic nucleus 219Np https://www.research[...] 2018
[4] 문서 Heaviest known nucleus, {{as of|2019|lc=y}}, that is beyond the [[proton drip line]].
[5] 논문 Short-Lived α-emitting isotope 222Np and the Stability of the N=126 Magic Shell 2020
[6] 논문 New short-lived isotope 223Np and the absence of the Z = 92 subshell closure near N = 126 https://www.research[...] 2017
[7] 논문 Identification of the new isotope 224Np https://www.research[...] 2018
[8] 보고서 Discovery of 234 Np isomer and its decay properties http://www.radiochem[...]
[9] 문서 "[[Fissile]] nuclide"
[10] 문서 Most common nuclide
[11] 문서 Produced by [[neutron capture]] in uranium ore
[12] 문서 Intermediate decay product of [[plutonium-244|244Pu]]
[13] 논문 Discovery of New Isotope {{sup|241}}U and Systematic High-Precision Atomic Mass Measurements of Neutron-Rich Pa-Pu Nuclei Produced via Multinucleon Transfer Reactions https://eprints.whit[...]
[14] 보고서 Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport http://ec.europa.eu/[...] Republic of France, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
[15] 논문 An examination of the potential fission-bomb weaponizability of nuclides other than 235U and 239Pu 2017
[16] 문서 Analysis of the Reuse of Uranium Recovered from the Reprocessing of Commercial LWR Spent Fuel http://info.ornl.gov[...] United States Department of Energy, Oak Ridge National Laboratory
[17] 서적 Chemistry and Analysis of Radionuclides John Wiley & Sons
[18] 논문 The production of Neptunium-236g 2014
[19] 논문 Neptunium Nukes? Little-studied metal goes critical http://www.sciencene[...] 2013-11-07
[20] 논문 Nuclear power: Desperately seeking plutonium 2014-11-27
[21] 웹사이트 Periodic Table Of Elements: LANL - Neptunium http://periodic.lanl[...] Los Alamos National Laboratory 2013-10-13
[22] 문서 Film Badge Dosimetry in Atmospheric Nuclear Tests Committee on Film Badge Dosimetry in Atmospheric Nuclear Tests, Commission on Engineering and Technical Systems, Division on Engineering and Physical Sciences, National Research Council
[23] 문서 Bounding Analysis of Effects of Fractionation of Radionuclides in Fallout on Estimation of Doses to Atomic Veterans DTRA-TR-07-5. 2007 http://www.dtra.mil/[...]
[24] 웹사이트 ネプツニウム-237（237Np） http://www.cnic.jp/k[...] 原子力資料情報室 2018-03-02
[25] 웹사이트 ネプツニウム-237（237Np） http://www.cnic.jp/k[...] 原子力資料情報室 2018-03-02
[26] 웹사이트 Neptunium-237 production from atmospheric nuclear testing https://inis.iaea.or[...] ＩＡＥＡ 2018-03-02
[27] 문서 http://www.nucleonic[...]
[28] 문서 약자:CD: [[뭉치 붕괴]]ε: [[전자 포획]]IT: [[이성질핵 전이]]SF: [[자발 핵분열]]
[29] 문서 "[[핵분열성 물질|핵분열성]] 핵종"
[30] 문서 가장 일반적인 핵종


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