오클로 천연원자로
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1. 개요
오클로 천연원자로는 1972년 프랑스 원자력청이 가봉의 오클로 우라늄 광산 시료를 분석하는 과정에서 발견한, 약 20억 년 전 선캄브리아 시대에 자연적으로 핵분열 반응이 일어났던 곳이다. 이 지역에서 채취한 우라늄 시료의 우라늄-235 함량이 낮고, 핵분열 생성물인 네오디뮴, 루테늄 등의 동위 원소 비율이 특이한 점을 통해 천연 원자로였음을 확인했다. 오클로 천연 원자로는 우라늄이 풍부한 광상에 지하수가 스며들어 중성자 감속재 역할을 하면서 핵분열 반응이 일어났으며, 미세 구조 상수가 시간에 따라 변했는지 확인하는 연구에도 활용된다.
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가봉 프랑스빌 인근 오클로는 과거 우라늄 광산이었으며, 특히 자연 핵분열 원자로가 발견되어 과학계의 주목을 받은 지역이다.
| 오클로 천연원자로 | |
|---|---|
| 위치 정보 | |
| 좌표 | 1°23′40″ 남위 13°9′39″ 동경 |
| 개요 | |
| 위치 | 프랑스령 가봉 오트오고웨 주 |
| 발견 | 1972년 |
| 활동 기간 | 약 17억 년 전 |
| 원자로 수 | 16개 |
| 지질 및 핵물리적 특징 | |
| 노심 물질 | 우라늄 광상 |
| 감속재 | 물 |
| 열출력 | 최대 100 kW (추정) |
| 연소 기간 | 수십만 년 |
| 동위원소 비율 이상 | 우라늄-235 비율 감소 (0.720% 미만) |
| 연구 역사 | |
| 최초 제안 | 프란시스 페랭 |
| 최초 발견 | 폴 카즈오 구로다 |
| 주요 연구자 | A. P. 메쉬크 F. 고티에-라파예 P. 홀리거 P.-L. 블랑 |
| 연구 의의 | 자연 핵반응 연구, 핵폐기물 처리 연구 |
2. 역사
1956년 프랑스 원자력청이 오클로 지역에서 우라늄 광석을 발견한 후, 무나나 마을 근처에 프랑스빌 우라늄 광산회사(Comuf)를 설립하여 우라늄 채광을 시작했다.[13] 40년 동안 프랑스는 가봉에서 우라늄을 채광했으며, 이는 프랑스와 유럽의 전력 생산에 사용되었다. 가봉의 우라늄 광부들은 프랑스의 TGV가 자신들 덕분에 작동한다고 농담처럼 말하기도 했다.[13]
1972년 프랑스 원자력청은 오클로 우라늄 광산 시료에서 우라늄-235 함량이 낮은 것을 발견하고, 선캄브리아 시대에 이 광산이 천연원자로로 작동했다는 사실을 발표했다.[13] 이후 연구를 통해 20억 년 전 우라늄-235 함량이 약 3%였으며, 물이 중성자 감속재 역할을 하여 핵분열 연쇄 반응이 일어났다는 사실이 밝혀졌다.[13]
현재 우라늄 광산은 고갈되어 더 이상 운영되지 않으며, 광산 운영의 영향으로 매립 작업이 진행되고 있다.[13] 1972년부터 1985년까지 오클로 광산에서 12개의 천연원자로가 발견되었으며, 이들 원자로에서 방출된 총 에너지는 현재의 1000MWe급 원자력발전소 5기를 1년간 운전했을 때 발생하는 열에너지와 거의 같다.[13]
2. 1. 발견
1956년 프랑스의 원자력청이 프랑스 식민지였던 가봉의 오클로 지역에서 우라늄 광석을 발견하였다.[13] 프랑스는 무나나 마을 근처에 프랑스빌 우라늄 광산회사(Comuf, Compagnie des Mines d'Uranium de Franceville)를 설립하고 우라늄 채광을 시작했다. 1972년 프랑스 원자력청은 오클로 우라늄 광산의 시료를 검사하던 중 오클로의 우라늄 광산이 선캄브리아 시대때 천연원자로로 가동했다는 사실을 공표하였다.[13]1972년 5월, 프랑스 피에르라트의 우라늄 농축 시설에서 육불화 우라늄(UF6)의 질량 분석 결과, 가봉 오클로 광산 샘플의 235U 동위 원소 비율이 일반적인 0.7202%가 아닌 0.600%로 유의미한 차이를 보였다.[5] 프랑스 원자력청의 조사 결과, 오클로 우라늄 광석의 235U 비율이 다른 광산보다 0.440% 낮았고, 네오디뮴, 루테늄 등 다른 동위 원소 비율도 특이하다는 것이 밝혀졌다.[6]235U의 감소는 원자로에서 일어나는 현상과 동일했다. 오클로 우라늄 광상이 천연 원자로였다는 설명이 제기되었고, 1972년 9월 25일, 프랑스 원자력청은 20억 년 전 핵 연쇄 반응이 일어났음을 발표했다. 이후 이 지역에서 다른 천연 원자로가 추가로 발견되었다.[6] 오클로 광산에서 캐낸 우라늄 시료에서 핵분열 시 생성되는 동위원소 비율이 높게 나타났고, 20억 년 전 우라늄-235 함량이 약 3%였으며, 물이 중성자 감속재 역할을 했다는 사실이 밝혀졌다.[13] 천연원자로에서 물로 인해 중성자가 전달되어 임계반응이 일어났고, 연쇄반응이 격렬해지면 열로 인해 물이 증발하여 임계반응이 정지되는 방식이었다.[13]
2. 2. 프랑스의 우라늄 채굴
가봉은 프랑스 식민지였으며, 1956년 프랑스의 원자력청이 오클로 지역에서 우라늄 광석을 발견하였다. 프랑스는 즉시 무나나 마을 근처에 프랑스빌 우라늄 광산회사(Comuf, Compagnie des Mines d'Uranium de Franceville)라는 우라늄 광산을 열고 광대한 광물자원을 캐내기 시작하였으며, 가봉에는 회사의 지분을 소수 주었다.[13]40년 동안 프랑스는 가봉 지역에서 우라늄을 채광했으며, 이 우라늄은 프랑스와 유럽 등지에서 전력생산용으로 쓰였다. 가봉의 우라늄 광부들은 그들 덕택에 프랑스의 TGV가 작동할 수 있었다고 반농담 삼아 말하곤 했다.[13]
3. 천연 원자로의 작동 원리
프랑스 원자력청은 1956년 가봉 오클로 지역에서 우라늄 광석을 발견했고, 1972년에 이 광산이 선캄브리아 시대 때 천연원자로로 작동했다는 사실을 발견했다.[13] 당시 우라늄 광석에 포함된 우라늄-235는 약 3%였으며, 물이 중성자 감속재 역할을 했다. 천연원자로에서 물 때문에 중성자가 전달되어 임계 반응이 일어났고, 연쇄반응이 격렬해졌을 때는 열 때문에 물이 증발하여 임계반응이 정지되었다.
핵분열 반응은 지하수가 스며들어 중성자 감속재로 기능하면서 시작된다. 핵분열 반응으로 발생한 열은 지하수를 끓여 없애고, 이는 반응을 감속시켜 정지시킨다. 광상의 온도가 식고 단명한 핵분열 생성물이 붕괴된 후 지하수가 다시 스며들면 이 순환 과정이 반복된다. 이러한 핵분열 반응은 수십만 년에 걸쳐 계속되었다.
제논 가스 동위 원소 조사를 통해 핵분열 순환 과정의 주기를 알 수 있는데, 약 30분 활동 후 2시간 30분 휴지하는 순환 과정이었다.
천연 원자로가 임계에 도달할 수 있었던 이유는 당시 천연 우라늄의 핵분열성 동위 원소 235U의 농도가 3%로, 현재의 원자로와 거의 같았기 때문이다. 235U의 반감기는 238U보다 짧아 더 빨리 붕괴하므로, 현재 천연 우라늄의 235U 비율은 0.72%로 저하되어 지구상에서는 더 이상 천연 원자로는 존재할 수 없다.
오클로 천연 원자로는 20억 년 전 대기 중 산소 농도 상승과 관련이 있다. 산소 존재 하에서만 우라늄이 물에 녹기 때문에, 대기 중 산소 농도가 상승하면서 우라늄이 지하수에 녹아 운반되어 우라늄이 농축된 광상을 형성했을 것으로 추정된다.
약 5톤의 235U를 소비하고 수백 도의 온도에 도달했던 천연 원자로는, 불휘발성 핵분열 생성물과 악티늄족이 20억 년 동안 광상 내에서 수 센티미터밖에 이동하지 않았다. 이는 방사성 폐기물 지층 처분과 관련하여 중요한 연구 사례가 되고 있다.
4. 핵분열 생성물의 흔적
광석 속 네오디뮴 동위체의 비율은 지구상에서 일반적으로 발견되는 것과는 달랐다. 예를 들어, 일반적인 네오디뮴은 142Nd를 27% 포함하는 반면, 오클로의 네오디뮴은 6% 이하만을 포함하고, 대신 143Nd의 비율이 높았다. 일반적인 Nd에서 오클로의 Nd를 빼보니, Nd 동위체의 구성은 235U의 핵분열 반응으로 생성되는 것과 일치했다.[13]
루테늄 동위체 비에 대한 조사도 이루어졌다. 오클로의 루테늄은 99Ru을 예상보다 많이 포함하고 있었다(12.7%에 대해 27-30%). 이는 99Tc가 99Ru으로 베타 붕괴했다고 설명할 수 있다. 위 그래프에서는 천연 루테늄의 동위체비와 235U이 열 중성자로 핵분열한 결과 생성된 루테늄을 비교하고 있다. 핵분열 생성물의 동위체비가 다르다는 것을 확실히 알 수 있다. 핵분열 생성물의 100Ru 수준이 낮은 이유는 몰리브덴의 장수명 동위체 100Mo(반감기 = 1019년) 때문이다. 천연 원자로가 가동했던 시간을 고려하면, 100Ru의 붕괴는 거의 일어나지 않았다.[13]
5. 미세 구조 상수와의 관계
오클로 천연 원자로는 물리학의 미세 구조 상수 α가 20억 년 동안 변화했는지 확인하는 데에도 이용된다. 이는 α가 핵반응 속도에 영향을 미치는 것을 응용한 것이다. 예를 들어, 149Sm은 중성자를 포획하여 150Sm이 되는데, 포획 속도는 α에 의존하므로, 이 두 종류의 사마륨 동위원소의 비율을 오클로 샘플에서 조사하여 20억 년 전 α의 값을 계산할 수 있다.
오클로의 방사성 동위원소의 상대 농도를 조사한 몇몇 연구가 있지만, 대부분의 연구가(전부는 아니지만) 과거의 핵반응은 오늘날과 다르지 않았다고 결론 내리고 있다. α도 변하지 않았다고 생각된다.149Sm의 공명은 α 외에도, 양성자와 전자의 질량비 μ에 대해서도 민감하다. α와 μ가 서로 상쇄될 가능성이 있으므로, 부정적인 결과는 α와 μ가 모두 시간에 대해 불변임을 반드시 의미하지는 않는다.[10][11]
6. 한국과의 관계
(주어진 원본 소스가 비어있고, 이전 결과물도 없으므로 내용을 작성할 수 없습니다.)
참조
[1]
논문
On the Nuclear Physical Stability of the Uranium Minerals
[2]
서적
17億年前の原子炉―核宇宙化学の最前線
講談社
[3]
논문
The Workings of an Ancient Nuclear Reactor
http://www.sciam.com[...]
[4]
논문
Natural fission reactors in the Franceville Basin, Gabon: a review of the conditions and results of a "critical event" in a geologic system
[5]
간행물
Oklo reactors and implications for nuclear science
[6]
논문
天然の原子炉
1976年9月
[7]
논문
Record of Cycling Operation of the Natural Nuclear Reactor in the Oklo/Okelobondo Area in Gabon
[8]
논문
The Oklo Natural Reactor: Cumulative Fission Yields and Retentivity of the Symmetric Mass Region Fission Products
[9]
논문
2 billion year old natural analogs for nuclear waste disposal: the natural nuclear fission reactors in Gabon (Africa)
[10]
뉴스
New Scientist: Oklo Reactor and fine-structure value. June 30, 2004.
http://www.newscient[...]
2004-06-30
[11]
논문
Natural nuclear reactor at Oklo and variation of fundamental constants: Computation of neutronics of a fresh core
[12]
서적
燃えつきた橋
早川書房
[13]
웹인용
천연원자로(오클로원자로)
http://kornis21.kaer[...]
2010-02-04
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