사마륨 동위 원소

3. 핵연료 주기 및 원자로에서의 역할

사마륨의 동위 원소 중 ¹⁴⁹Sm와 ¹⁵¹Sm은 원자로 내부의 핵연료 주기에서 중요한 역할을 한다.¹⁴⁹Sm은 관측상 안정적인 동위 원소로, 핵분열 생성물인 ¹⁴⁹Nd가 붕괴하면서 생성된다. (²³⁵U 핵분열 시 수율 1.0888%) ¹⁴⁹Sm은 열 중성자에 대해 40,140 바라는 매우 큰 중성자 흡수 단면적을 가지는 강력한 핵독이다. 이 때문에 원자로 운전에 상당한 영향을 미치며, 그 영향력은 ¹³⁵Xe 다음으로 크다. 원자로가 가동되면 ¹⁴⁹Sm의 농도는 점차 증가하여 약 500시간(약 20일) 후에 평형 상태에 도달한다. ¹⁴⁹Sm은 안정 동위 원소이므로, 평형에 도달한 후에는 원자로가 계속 가동되는 동안 그 농도가 거의 일정하게 유지된다. 이는 반감기가 9.2시간으로 비교적 짧아 원자로 출력 변화나 정지 시 농도가 급격히 변동하며 소위 제논 핏 현상을 유발하는 ¹³⁵Xe와 대조되는 특징이다.¹⁵¹Sm 역시 핵분열을 통해 생성되는 동위 원소로, 반감기는 94.6년이다. ²³⁵U의 열중성자 핵분열 시 생성 수율은 0.4203% 정도이며, ²³⁹Pu의 핵분열 시에는 수율이 더 높다. ¹⁵¹Sm 또한 15,200 바른이라는 높은 열중성자 흡수 단면적을 가지고 있어 원자로 내 중성자 경제에 영향을 미친다. 이는 ¹⁴⁹Sm 단면적의 약 38%에 해당한다. ¹⁵¹Sm은 원자로 가동 후 약 50일 정도면 평형 농도에 도달할 것으로 예상된다. ¹⁵¹Sm은 ¹⁴⁹Sm과 마찬가지로 원자로 내에서 중요한 중성자 흡수재로 작용하지만, 반감기가 존재하고 사용후 핵연료에서의 거동이 달라 별도로 관리된다. (자세한 내용은 #사용후핵연료 관리 참조)

이처럼 ¹⁴⁹Sm과 ¹⁵¹Sm은 높은 중성자 흡수 단면적을 가진 핵독으로서 원자로의 설계와 운전, 안전성 평가에 있어 중요하게 고려되는 핵종이다.

3. 1. 사용후핵연료 관리

4. 의학적 응용

사마륨-153(¹⁵³Sm)은 반감기가 46.3시간이며, β⁻ 붕괴를 통해 ¹⁵³Eu로 변환된다. 이는 사마륨 (153Sm) 렉시드로남의 구성 성분으로, 골암 환자의 통증 완화를 위한 치료에 사용된다.^[14] 사마륨-153은 몸 안에서 칼슘과 비슷하게 처리되어 뼈에 선택적으로 모이는 특징이 있다.

참조

_[1] 논문 The ¹⁴⁶Sm half-life re-measured: consolidating the chronometer for events in the early Solar System 2024-08-01
_[2] 논문 Separation of samarium and neodymium: a prerequisite for getting signals from nuclear synthesis
_[3] 논문 Half-life of ¹⁵¹Sm remeasured
_[4] 논문 A Shorter 146Sm Half-Life Measured and Implications for 146Sm-142Nd Chronology in the Solar System 2012-03-30
_[5] 웹사이트 One small error for a physicist, one giant blunder for planetary science https://retractionwa[...] 2023-03-30
_[6] 문서 Primordial radioisotope
_[7] 문서 Fission product
_[8] 문서 Samarium–neodymium dating에 이용
_[9] 문서 Neutron poison in reactors
_[10] 논문 Experimental searches for rare alpha and beta decays 2019
_[11] 논문 Measuring the β-decay properties of neutron-rich exotic Pm, Sm, Eu, and Gd isotopes to constrain the nucleosynthesis yields in the rare-earth region 2022
_[12] 웹사이트 Cumulative Fission Yields https://www-nds.iaea[...] IAEA
_[13] 보고서 Reactor Physics Calculations on MOX Fuel in Boiling Water Reactors (BWRs) http://www.oecd-nea.[...] OECD Nuclear Energy Agency
_[14] 서적 Bonica's Management of Pain https://books.google[...] Lippincott Williams & Wilkins 2011-07-19
_[15] 논문 Separation of samarium and neodymium: a prerequisite for getting signals from nuclear synthesis
_[16] 문서 안정 동위 원소는 굵은체로 표기, 우주의 나이보다 반감기가 긴 동위 원소의 반감기는 굵은 흘림체로 표기
_[17] URL http://www.nucleonic[...]
_[18] 문서 약어
_[19] 문서 안정 동위 원소는 굵은 글씨로 표기, 우주의 나이보다 반감기가 긴 동위 원소는 굵은 흘림체로 표기
_[20] 문서 알파 붕괴를 통해 ¹⁴⁰Nd으로 붕괴하거나 또는 β⁺β⁺ 붕괴를 통해 ¹⁴⁴Nd으로 붕괴할 수 있다.
_[21] 문서 태양계 초창기부터 존재해 왔었던 방사성 핵자
_[22] 문서 핵분열 생성물
_[23] 문서 사마륨-네오디뮴 연대 측정에 이용
_[24] 문서 중성자 흡수제로 이용
_[25] 문서 알파 붕괴를 통해 ¹⁴⁵Nd으로 붕괴할 수 있으며 반감기는 5.2×10¹⁹ 년을 초과할 것으로 예상된다.
_[26] 문서 α 붕괴를 통해 ¹⁴⁶Nd으로 붕괴할 수 있다.
_[27] 문서 α 붕괴를 통해 ¹⁴⁸Nd으로 붕괴할 수 있다.
_[28] 문서 β^-β^- 붕괴를 통해 ¹⁵⁴Gd으로 붕괴할 수 있으며 반감기는 1.4×10²¹ 년을 초과할 것으로 예상된다.