기체확산법
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1. 개요
기체확산법은 2차 세계 대전 중 미국의 맨해튼 계획의 일환으로 개발된 우라늄 농축 기술이다. 육불화 우라늄(UF6) 기체를 다공성 막을 통과시켜 질량 차이에 따라 우라늄 동위원소를 분리하는 방식으로, 그레이엄의 법칙을 이용한다. 분리 효율을 높이기 위해 수천 개의 단계를 거치는 캐스케이드 방식을 사용한다. UF6는 부식성이 강하고 다루기 어려우며, 막대한 전력 소비로 인해 현재는 원심분리법에 비해 덜 사용된다.
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농축 우라늄은 핵분열 연쇄 반응을 위해 우라늄-235의 비율을 높인 우라늄으로, 물리적 방법을 통해 분리하며, 우라늄-235 비율에 따라 용도가 구분된다. - 동위 원소 분리 - 캘루트론
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기체확산법 | |
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개요 | |
![]() | |
유형 | 우라늄 농축 방법 |
상태 | 상용화되지 않음 |
설명 | 작은 막을 통해 기체를 통과시켜 아이소토프를 분리하는 방법 |
역사 | |
개발 배경 | 제2차 세계 대전 중 맨해튼 계획의 일환으로 개발됨 |
초기 명칭 | 튜브 얼로이스 프로젝트 |
최초 사용 국가 | 미국 |
가동 시기 | 1945년 |
폐쇄 시기 | 1985년 |
작동 원리 | |
핵심 원리 | 기체 분자의 평균 속도는 질량의 제곱근에 반비례함 (그레이엄의 법칙) |
사용 기체 | 육불화 우라늄 (UF6) |
분리 과정 | 다단계 확산 과정을 거쳐 U-235 농도를 높임 |
확산 장벽 | 수백만 개의 미세한 구멍이 있는 다공성 막 사용 |
장단점 | |
장점 | 비교적 간단한 기술 |
단점 | 에너지 소비가 매우 높음 낮은 분리 계수로 인해 대규모 시설 필요 환경 문제 발생 가능성 |
현재 상황 | |
대체 기술 | 기체 원심분리법으로 대체됨 |
상업적 이용 | 현재 상업적으로 사용되지 않음 |
2. 역사
기체 확산법은 제2차 세계 대전 중 미국의 맨해튼 계획의 일환으로 우라늄의 동위원소 분리를 위해 개발된 여러 방법 중 하나였다. 초기에는 열 확산, 기체 확산, 전자기 동위원소 분리 (캘루트론) 방식이 순차적으로 사용되었으나, 캘루트론의 비효율성과 높은 비용 문제로 인해 1945년 이후 기체 확산법이 농축 우라늄 생산의 주요 기술로 자리 잡게 되었다.
냉전 시기에는 미국, 소련 (현재 카자흐스탄에 위치한 공장 포함), 영국, 프랑스, 중국 등 여러 국가에서 대규모 기체 확산 공장을 건설하여 운영했다. 1940년대 초에 건설된 이 공장들은 당시 역사상 가장 큰 건물 중 일부였다. 그러나 기체 확산법은 막대한 전력 소모 등의 단점으로 경제성이 떨어지고, 원심분리법과 같은 새로운 농축 기술이 개발되면서 점차 경쟁력을 잃었다.
현재 대부분의 기체 확산 공장은 폐쇄되었거나 폐쇄될 예정이다. 이 기술에 사용된 펌프 및 멤브레인 기술 중 일부는 여전히 민감하게 다뤄져 극비로 취급되며, 관련 물질 중 일부는 핵 확산을 방지하기 위한 국제적인 노력의 일환으로 수출 통제 대상이다.
2. 1. 초기 개발 (맨해튼 계획)
테네시주 오크리지에서 맨해튼 계획에 참여한 연구진들은 우라늄의 동위원소 분리를 위한 여러 방법을 개발했다. 이 중 세 가지 방법이 오크리지의 서로 다른 공장에서 순차적으로 사용되어, 리틀 보이와 같은 초기 핵무기에 사용될 235U를 생산하는 데 기여했다.첫 단계로 S-50 시설에서는 열 확산 공정을 이용해 천연 우라늄에 0.7% 포함된 235U의 비율을 약 2%까지 높였다. 이 결과물은 K-25 공장으로 보내져 기체 확산 공정을 거쳤고, 235U 농도는 약 23%까지 증가했다. 마지막으로 이 물질은 Y-12 시설의 캘루트론으로 옮겨졌다. 캘루트론은 일종의 질량 분석기로, 전자기 동위원소 분리 방식을 사용하여 최종 235U 농도를 약 84%까지 끌어올렸다.
K-25 기체 확산 공장에 필요한 육플루오린화 우라늄(UF6) 원료를 준비하는 과정은 상업적으로 생산된 플루오린이 처음 대량 사용된 사례였다. 그러나 반응성이 높고 부식성이 강한 UF6 기체를 다루는 것은 상당한 기술적 난관이었다. 이 문제를 해결하기 위해 맨해튼 계획 과학자들은 UF6와 접촉해도 반응하지 않는 화합물 개발이 시급함을 인지했다. 유기 불소 화학 전문가인 코넬 대학교의 유기 화학 교수 윌리엄 T. 밀러가 이 연구에 참여했다. 밀러와 그의 연구팀은 여러 새로운 비반응성 클로로플루오로탄소 중합체를 화학 합성하여 개발했고, 이는 기체 확산 공정 설비에 성공적으로 적용되었다.
초기에 사용된 캘루트론 방식은 비효율적이었고 건설 및 운영 비용이 매우 높았다. 기체 확산 공정의 기술적 어려움이 점차 해결되고 1945년 오크리지에서 기체 확산 시설이 본격적으로 가동되자, 비용 문제 등으로 인해 모든 캘루트론은 가동을 멈추었다. 이후 기체 확산 기술은 농축 우라늄 생산의 주요 방법으로 자리 잡게 되었다.
2. 2. 냉전 시대의 발전
맨해튼 계획 당시 테네시주 오크리지에서는 우라늄의 동위원소 분리를 위한 여러 방법이 개발되었다. 초기에는 S-50 시설의 열 확산 공정, K-25 공장의 기체 확산 공정, Y-12 시설의 캘루트론(전자기 동위원소 분리 방식)을 순차적으로 사용하여 235U의 농도를 높였다. 특히 K-25 기체 확산 공장을 위해서는 상업적으로 생산된 플루오린을 처음 사용했으며, 반응성이 높고 부식성이 강한 육플루오린화 우라늄(UF6) 기체를 다루는 데 상당한 기술적 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해 코넬 대학교의 윌리엄 T. 밀러 교수와 연구팀은 UF6와 접촉해도 반응하지 않는 새로운 클로로플루오로탄소 중합체를 개발했다.캘루트론 방식은 비효율적이고 비용이 많이 들었기 때문에, 1945년 오크리지에서 기체 확산 공정이 본격적으로 가동되자마자 캘루트론은 가동을 중단했다. 이후 기체 확산 기술은 농축 우라늄 생산의 핵심 기술로 자리 잡았다.
냉전 시대에 접어들면서 미국과 소련을 중심으로 핵무기 개발 경쟁이 치열해졌고, 기체 확산법은 우라늄 농축의 주요 수단이 되었다. 1940년대 초에 건설된 기체 확산 공장들은 당시로서는 역사상 가장 큰 건물 중 일부였다. 미국과 소련(현재 카자흐스탄에 위치한 공장 포함)뿐만 아니라 영국, 프랑스, 중국에서도 대규모 기체 확산 공장을 건설했다. 이 기술과 관련된 펌프 및 멤브레인 기술 중 일부는 여전히 극비로 취급되고 있으며, 사용된 물질 중 일부는 핵 확산을 방지하기 위한 국제적인 노력의 일환으로 수출 통제 대상이다.
그러나 기체 확산 공정은 막대한 전력을 소비하는 단점이 있었다. 2008년까지도 미국과 프랑스의 기체 확산 공장이 전 세계 농축 우라늄 생산량의 상당 부분(약 33%)을 차지했지만, 경제성 문제와 기술 발전으로 인해 점차 새로운 원심분리법으로 대체되기 시작했다. 프랑스의 조르주 베스 공장은 2012년 6월에 최종 폐쇄되었고,[7] 미국의 마지막 가동 시설이었던 켄터키 주의 패덕 가스 확산 공장도 2013년에 농축 작업을 중단했다.[8] 오하이오 주의 포츠머스 가스 확산 공장은 이미 2001년에 농축 활동을 중단한 상태였다. 2010년부터 오하이오 부지는 주로 프랑스 복합 기업인 아레바(AREVA)가 고갈된 UF6를 산화 우라늄으로 변환하는 데 사용하고 있다. 이처럼 냉전 시대 핵 경쟁의 상징이었던 대규모 기체 확산 시설들은 점차 집-타입 원심 분리기 기술 등으로 대체되며 역사의 뒤안길로 사라지고 있다. 아레바는 조르주 베스 기체 확산 공장을 조르주 베스 II 원심 분리 공장으로 대체했다.
2. 3. 현대의 우라늄 농축 기술
2008년까지만 해도 미국과 프랑스의 기체 확산 공장은 전 세계 농축 우라늄 생산량의 33%를 담당할 정도로 중요한 역할을 수행했다. 그러나 기체 확산 방식은 점차 원심분리법으로 대체되었다. 미국의 포츠머스 가스 확산 공장은 2001년에 농축 활동을 중단했으며, 2010년부터 해당 부지는 주로 프랑스의 복합 기업인 아레바(AREVA)가 고갈된 육불화 우라늄(UF6)을 산화 우라늄으로 변환하는 데 사용하고 있다. 프랑스의 유로디프(Eurodif)가 운영하던 조르주 베스 공장은 2012년 6월에 최종 폐쇄되었다.[7] 미국의 마지막 완전 가동 기체 확산 시설이었던 켄터키 주의 패덕 가스 확산 공장 역시 미국 농축 공사(USEC)에 의해 운영되다가 2013년에 농축 작업을 중단했다.[8]이처럼 기존의 기체 확산 공장들이 노후화됨에 따라, 동일한 양의 우라늄을 분리하는 데 훨씬 적은 전력을 소비하는 집-타입 원심 분리기 기술이 주요 방식으로 자리 잡게 되었다. 대표적인 예로 프랑스의 아레바는 조르주 베스 공장을 조르주 베스 II 원심 분리 공장으로 대체했다.
3. 우라늄 농축 기술
우라늄에는 여러 동위 원소가 존재하는데, 그중 자연적으로 발견되는 주요 동위 원소는 235U와 238U이다. 이 두 동위 원소는 화학적으로는 거의 동일하지만, 핵물리학적 특성에서 중요한 차이가 있다. 바로 235U만이 열 중성자에 의해 핵분열 연쇄 반응을 일으킬 수 있는 분열성 물질이라는 점이다. 실제로 235U는 자연계에 존재하는 유일한 분열성 핵종이다.
하지만 천연 우라늄에는 질량 기준으로 약 0.72%의 235U만이 포함되어 있다. 이 농도로는 일반적인 경수로(물을 감속재로 사용하는 원자로)에서 지속적인 핵 연쇄 반응을 유지하기 어렵다. 따라서 대부분의 원자력 발전소에서 연료로 사용하기 위해서는 235U의 비율을 2%에서 5% 사이로 높이는 농축 과정이 필요하다. 이렇게 인위적으로 235U의 비율을 높인 우라늄을 농축 우라늄이라고 부른다. 우라늄 농축 기술의 핵심 원리는 바로 235U와 238U 사이의 미세한 질량 차이를 이용하여 이 둘을 분리하는 것이다.
3. 1. 기체 확산법
기체 확산법은 기체의 분자량 차이를 이용하여 동위 원소를 분리하는 방법 중 하나로, 주로 우라늄 농축에 사용되었다. 자연 상태의 우라늄에는 핵분열이 용이한 235U가 약 0.72% 포함되어 있는데, 원자력 발전 등에 사용하기 위해서는 이 비율을 2~5% 정도로 높여야 한다. 기체 확산법은 이러한 농축 과정에 이용되는 대표적인 기술이었다.이 방법은 토머스 그레이엄이 발견한 그레이엄의 법칙에 과학적 근거를 둔다. 그레이엄의 법칙에 따르면, 기체의 확산 속도는 분자량의 제곱근에 반비례한다. 즉, 같은 온도와 압력에서 가벼운 기체 분자가 무거운 기체 분자보다 더 빠르게 움직이고 확산된다. 기체 확산법에서는 우라늄 화합물 중 유일하게 적합한 휘발성을 가진 육불화 우라늄(UF6) 기체를 사용하며, 이 기체를 미세한 구멍이 많이 뚫린 다공성 막(장벽)에 통과시킨다. 이때 질량이 약간 더 가벼운 235UF6 분자가 무거운 238UF6 분자보다 더 빠르게 막을 통과하게 된다. 막을 통과한 기체는 235UF6의 비율이 미세하게 높아지고, 막을 통과하지 못하고 남은 기체는 그 비율이 낮아진다.
그러나 한 번의 확산 과정만으로는 분리되는 정도가 매우 작기 때문에, 원하는 농축도에 도달하기 위해서는 이 과정을 수천 번 반복해야 한다. 이를 위해 수많은 확산 장치(확산기)를 직렬로 연결하여 연속적으로 처리하는데, 이러한 시스템을 캐스케이드(cascade)라고 부른다.
기체 확산법은 제2차 세계 대전 중 맨해튼 계획의 일환으로 미국 오크리지의 K-25 공장에서 대규모로 운용되어 핵무기 개발에 필요한 고농축 우라늄 생산에 핵심적인 역할을 수행했다. 이후 냉전 시기 동안 미국뿐만 아니라 소련, 영국, 프랑스, 중국 등 여러 국가에서 우라늄 농축을 위해 기체 확산 공장을 건설하고 운영했다.
하지만 기체 확산법은 막대한 양의 전력을 소모하여 에너지 효율이 낮다는 큰 단점이 있다. 이 때문에 에너지 효율이 훨씬 높은 가스 원심분리법과 같은 새로운 농축 기술이 개발되면서 기체 확산법은 점차 경쟁력을 잃게 되었다. 21세기에 들어서면서 대부분의 기체 확산 공장은 가동을 중단하거나 폐쇄되었으며, 현재는 거의 사용되지 않는 기술이다.[7][8]
3. 1. 1. 육불화 우라늄 (UF6)
육불화 우라늄(UF6)은 기체 확산 공정에 사용하기에 충분한 휘발성을 가진 유일한 우라늄 화합물이다. 다행히도, 플루오린(F)은 자연적으로 단 하나의 동위 원소인 19F로만 존재한다. 이 덕분에 235UF6와 238UF6 사이의 분자량 차이(약 1%)는 오직 우라늄 동위원소(235U와 238U)의 질량 차이에서만 비롯된다. 이러한 이유로 UF6는 기체 확산 공정에서 사용할 수 있는 유일한 원료이다.UF6는 상온에서는 고체 상태이지만, 대기압(1기압) 하에서 56.4°C가 되면 승화하여 기체가 된다.[4] UF6의 삼중점은 64.05°C, 1.5 bar이다.[5] 그레이엄의 법칙을 UF6에 적용하면 다음과 같이 두 동위원소 화합물의 확산 속도 차이를 계산할 수 있다.
:
여기서 각 기호는 다음을 의미한다.
- ''Rate1'' : 235UF6의 분출 속도
- ''Rate2'' : 238UF6의 분출 속도
- ''M1'' : 235UF6의 몰 질량 = 235.043930 + 6 × 18.998403 = 349.034348 g·mol−1
- ''M2'' : 238UF6의 몰 질량 = 238.050788 + 6 × 18.998403 = 352.041206 g·mol−1
이 계산 결과는 235UF6 분자의 평균 속도가 238UF6 분자의 평균 속도보다 약 0.4% 더 빠르다는 것을 보여준다.[6]
그러나 UF6는 매우 부식성이 강한 물질이다. 산화제이자 루이스 산으로서, 플루오린화물과 쉽게 결합한다. 예를 들어, 아세토니트릴 용매 내에서 구리(II) 플루오린화물과 반응하여 구리(II) 헵타플루오로우라네이트(VI), Cu(UF7)2를 형성하는 것이 보고된 바 있다. 또한 UF6는 물과 반응하여 고체 화합물을 형성하기 때문에 산업 규모로 다루기가 매우 까다롭다. 따라서 기체 확산 공장의 내부 기체 경로는 오스테나이트계 스테인리스강이나 열처리를 통해 안정화된 다른 금속으로 제작해야 한다. 또한 시스템 내부의 모든 밸브와 밀봉재는 테플론(PTFE)과 같이 반응성이 없는 플루오르 중합체로 코팅해야 한다.
3. 1. 2. 장벽 재료
기체 확산 공장에서는 일반적으로 소결된 니켈이나 알루미늄으로 만들어진 집합 장벽(다공성 막)을 사용한다. 이 막에는 10nm에서 25nm 크기의 미세한 구멍들이 뚫려 있는데, 이는 육불화 우라늄(UF6) 분자의 평균 자유 경로의 10분의 1보다 작은 크기이다.다른 방식으로는 처음에는 구멍이 없는 막에 구멍을 뚫어 만드는 필름형 장벽도 사용될 수 있다. 예를 들어, 염산을 사용하여 은-아연(Ag-Zn) 합금에서 아연 성분만 제거하거나, 수산화 나트륨을 사용하여 니켈-알루미늄(Ni-Al) 합금에서 알루미늄만 제거하는 방식으로 만들 수 있다.
3. 1. 3. 에너지 요구 사항
235UF6와 238UF6는 분자량이 거의 같기 때문에, 단일 장벽을 한 번 통과하는 것, 즉 한 번의 확산 과정만으로는 235U와 238U를 충분히 분리하기 어렵다. 따라서 많은 확산기를 직렬로 연결하여 이전 단계에서 나온 결과물을 다음 단계의 입력으로 사용하는 방식이 필요하다. 이렇게 여러 단계를 연결한 것을 캐스케이드(cascade)라고 부른다. 실제로 확산 캐스케이드는 원하는 농축 수준을 얻기 위해 수천 개의 단계가 필요할 수 있다.확산 화학 공장의 모든 설비는 UF6가 기체 상태를 유지하도록 적절한 온도와 압력으로 관리되어야 한다. 각 단계를 거치면서 발생하는 압력 손실을 보충하기 위해 기체를 압축해야 하는데, 이 과정에서 기체의 온도가 올라가는 압축 가열 현상이 발생한다. 따라서 압축된 기체는 다음 확산기에 들어가기 전에 냉각 과정을 거쳐야 한다. 이러한 기체 펌핑과 냉각에는 막대한 양의 전력이 필요하며, 이 때문에 기체 확산법은 우라늄 농축 방법 중 가장 많은 에너지를 소모하는 비싼 방식 중 하나였다.
2008년까지만 해도 미국과 프랑스의 기체 확산 공장이 전 세계 농축 우라늄 생산량의 33%를 차지했다. 하지만 에너지 효율 문제 등으로 인해 점차 다른 기술로 대체되었다. 프랑스의 유로디프(Eurodif)가 운영하던 조르주 베스 공장은 2012년 6월에 최종적으로 폐쇄되었고,[7] 미국 농축 공사(USEC)가 운영하던 켄터키주의 패덕 가스 확산 공장(미국의 마지막 가동 우라늄 농축 시설)도 2013년에 농축 작업을 중단했다.[8] 오하이오주의 포츠머스 가스 확산 공장은 이미 2001년에 농축 활동을 중단했으며, 2010년부터는 주로 프랑스 기업 아레바(AREVA)가 고갈된 UF6를 산화 우라늄으로 변환하는 데 사용되고 있다.
오래된 기체 확산 공장들은 훨씬 적은 전력으로 동일한 양의 우라늄을 분리할 수 있는 원심분리 기술로 대체되고 있다. 예를 들어, 아레바는 조르주 베스 기체 확산 공장을 조르주 베스 II 원심분리 공장으로 대체했다.
4. 핵확산 위험과 국제적 통제
자연 상태의 우라늄에는 여러 동위 원소가 존재하는데, 이 중 235U와 238U가 대표적이다. 알려진 33개의 방사성 원시 핵종 중 이 두 우라늄 동위 원소는 여러 면에서 유사하지만, 오직 235U만이 분열성 물질이다. 즉, 열 중성자를 이용하여 핵분열 핵 연쇄 반응을 지속시킬 수 있다. 사실상 235U는 자연계에 존재하는 유일한 분열성 핵종이다.
하지만 천연 우라늄에서 235U가 차지하는 비율은 질량 기준으로 약 0.72%에 불과하다. 일반적인 원자로에서 물을 감속재로 사용할 경우, 지속적인 핵 연쇄 반응을 일으키기 위해서는 235U의 농도를 2~5%까지 높여야 한다. 이처럼 농축 과정을 거쳐 235U의 비율을 높인 우라늄을 농축 우라늄이라고 한다.
참조
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2020-07-17
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