우라늄

1. 개요

우라늄은 1781년 발견된 천왕성에서 유래된 이름으로, 은백색의 금속 원소이다. 전성, 연성이 있으며, 세 가지 동소체 형태를 가진다. 우라늄은 거의 모든 비금속 원소와 반응하며, 염산과 질산에 녹는다. 우라늄 화합물은 2+, 3+, 4+, 5+, 6+의 원자가를 가지며, +6가가 수용액에서 안정적이며 황색을 띠어 황색케이크라고 불린다.

우라늄은 1789년 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트에 의해 섬우라늄광에서 발견되었고, 1896년 앙리 베크렐에 의해 방사능이 발견되었다. 우라늄-235는 핵분열을 일으키는 주요 동위원소이며, 우라늄-238은 중성자를 흡수하여 플루토늄-239로 변환된다. 우라늄은 우라늄-235를 농축하는 과정을 거쳐 핵무기 및 원자력 발전소 연료로 사용된다.

전 세계 우라늄 생산량은 카자흐스탄이 가장 많으며, 다양한 채굴 방법으로 채취된다. 인간은 오염된 물, 음식, 공기 등을 통해 우라늄에 노출될 수 있으며, 광부들은 암 발생 위험이 높다. 옥천 누층군 내 탄질 흑색 점판암에 우라늄이 함유되어 있으며, 지하수에서도 우라늄이 검출된다. 우라늄은 박테리아, 지의류, 식물 등에 의해 흡수되며, 일부 박테리아는 우라늄을 U(IV)로 전환한다.

2. 명칭

우라늄이라는 명칭은 같은 시기에 발견된 천왕성에서 유래했다. 금속 원소를 의미하는 라틴어 파생 명사 중성 어미 '-ium'을 붙여 만들었다.

3. 성질

우라늄은 자연에서 발견되는 원소 중 원자 번호가 가장 큰 원소이다. 넵투늄과 플루토늄도 자연에 존재하지만, 매우 드물기 때문에 인공 원소로 분류되어 우라늄이 가장 원자 번호가 큰 원소로 여겨진다. 우라늄의 원자량은 238.029u, 원자 번호는 92이며, 악티늄족에 속한다.

우라늄은 은백색의 약한 방사성 금속으로, 모스 경도는 6이다. 전성과 연성이 있고, 약하게 상자성을 띠며, 강하게 전기 양성이고, 열악한 전기 전도체이다. 밀도는 19.05g/cm³(20℃)이며, 녹는점은 1405K, 끓는점은 4404K이다. 반감기는 약 45억 년이다.

상온에서 얻는 금속 우라늄은 알파(α) 우라늄이며, 935.15K에서는 베타(β) 우라늄, 1045.15K에서는 감마(γ) 우라늄이 된다. 알파 우라늄은 사방정계 결정 구조를 가지며, 결정의 세 축 방향에 따라 팽창률이 다르다. 따라서 원자로 연료로 금속 우라늄을 사용하면 연료봉이 변형될 수 있다.

공기 중에서 가열하면 발화하여 산화우라늄(U₃O₈)이 된다. 할로젠, 황, 질소와도 직접 반응한다. 묽은 산에는 녹아 수소를 발생시키며 4가(4+) 우라늄염으로 바뀌고, 질산에도 녹아 질산우라늄을 만든다. 알칼리 금속과는 반응하지 않으며, 이온화 경향은 망가니즈와 아연의 중간이다. 화합물의 주 원자가는 2+, 3+, 4+, 5+, 6+인데, 4+가 가장 안정하고 6+가 그 다음으로 안정하다. 우라늄 이온에는 U²⁺, U³⁺ 등이 있다.

바닥 상태에서 우라늄의 전자 배치는 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶ 7s²5f³ 6d¹이다.

우라늄 농축에는 육플루오린화우라늄(UF₆)이 많이 사용되며, 화학 반응식은 다음과 같다.

:UO₂ + 4HF + 열 (500 °C) → UF₄ + 2H₂O

:UF₄ + F₂ + 열 (350 °C) → UF₆

3.1. 화학적 성질

우라늄은 연성과 전성을 지닌 은백색 금속이다. 상온 상압에서 안정적인 구조는 사방정계 구조(α형, 18.95g/cm3)이지만, 668 °C에서 정방정계 구조(β형, 18.11g/cm3)로, 775 °C에서 입방정계 구조(γ형, 18.06g/cm3)로 상전이한다. 비중은 18.95(25 °C), 녹는점은 1132 °C, 끓는점은 3745 °C이다. 모스 경도는 6으로, 티타늄 등과 거의 같다. 우라늄은 반응성이 높아, 덩어리는 공기 중의 산소와 반응하여 표면에 이산화우라늄의 검은 막이 생성된다. 분말은 더욱 반응성이 높아 공기 중에 방치하면 산소에 의해 발화하며, 냉수 중에서도 반응하여 산소를 빼앗고 수소 가스를 발생시킨다. 염산과 질산에 녹지만, 다른 산과는 느리게 반응한다.

우라늄 화합물의 원자가는 +2가에서 +6가까지 취할 수 있다. 이 중 일반적으로 +6가가 가장 안정적이다. +2가와 +5가는 특히 불안정하여 특수한 조건이 아니면 존재할 수 없다. +4가는 질산 수용액 및 산화물 등에서는 안정적인 원자가이며, 수용액으로 만들면 녹색이 된다. +3가 수용액은 적자색이지만 안정되지 않고, 물을 환원시켜 수소를 발생시키면서 +4가로 변화하기 때문에 색도 녹색으로 변한다. +6가는 수용액에서도 안정적이며, 우라닐 이온(UO₂²⁺)이 되어 수용액은 황색을 띤다. +6가의 우라늄은 수용액에 한정되지 않고 일반적으로 황색을 띠기 때문에 황색케이크라고 불린다. 우라늄의 할로겐화물은 +3가에서 +6가까지 취할 수 있지만, 휘발성인 것으로 알려져 있으며, 증기압은 +3가가 가장 작고, +4가, +5가, +6가 순으로 커지는 경향이 있다.

3.2. 물리적 성질

우라늄은 은백색의 약한 방사성 금속이다. 모스 경도는 6으로, 유리를 긁을 수 있으며 티타늄, 로듐, 망간, 니오븀과 거의 같다. 전성과 연성이 있고, 약하게 상자성을 띠며, 강한 전기 양성이고, 열악한 전기 전도체이다. 우라늄 금속은 밀도가 19.1g/cm3로 매우 높은데, 이는 납 (11.3g/cm3)보다 높지만, 텅스텐과 금 (19.3g/cm3)보다는 약간 낮다.

우라늄 금속은 세 가지 동소체 형태를 갖는다.

4. 역사

1789년, 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트는 섬우라늄광(피치블렌드)에서 우라늄 산화물을 발견하고, 천왕성(Uranus)의 이름을 따서 '우라늄'으로 명명했다. 1841년, 프랑스 화학자 외젠 멜키오르 펠리고는 사염화우라늄을 칼륨으로 환원시켜 최초로 금속 우라늄을 분리했다.

1896년, 프랑스 물리학자 앙리 베크렐은 우라늄 염에서 방사능을 발견했다. 1898년, 마리 퀴리와 피에르 퀴리는 우라늄 광석에서 폴로늄과 라듐을 추출하여 방사성 붕괴 현상을 증명했다.

1934년, 엔리코 페르미 연구팀은 우라늄에 중성자를 충돌시켜 베타선이 생성됨을 발견했다. 1939년, 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 우라늄 핵분열 실험에 성공하고, 리제 마이트너와 오토 로버트 프리쉬가 핵분열 현상을 이론적으로 설명했다. 1940년, 알프레드 오.C. 니어가 우라늄-235를 분리하고, 존 R. 더닝이 핵분열성 물질임을 확인했다.

1942년, 엔리코 페르미 연구팀은 시카고 1호 파일에서 최초의 인공 핵 핵 연쇄 반응을 일으켰다. 제2차 세계 대전 중, 미국은 맨해튼 계획을 통해 우라늄-235를 이용한 핵무기(리틀 보이)를 개발하여 히로시마에 투하했다. 냉전 시대에는 핵무기 개발 경쟁으로 인해 우라늄 생산량이 급증했다.

5. 동위원소

우라늄은 안정 동위원소가 없는 원소이다. 양성자가 82개를 넘는 핵종에서는 강한 핵력이 전자기적 반발력을 이겨내지 못하기 때문에 우라늄의 모든 동위원소는 방사성을 띤다. 가장 안정적인 두 동위원소인 우라늄-238(U)과 우라늄-235(U)는 반감기가 충분히 길어 지구 생성 이후부터 측정 가능한 양이 자연에 존재한다.

천연 우라늄은 우라늄-238(99.2742%), 우라늄-235(0.7204%), 우라늄-234(0.0054%)의 세 가지 주요 동위원소로 구성된다. 이 외에도, 인공적으로 만들어진 동위원소를 포함하면 질량수 217부터 242까지 26종이 존재한다.

우라늄-238은 약 년의 반감기를 가지는 우라늄 동위원소 중 가장 안정적이며, 주로 알파 붕괴를 통해 토륨-234로 붕괴된다. 우라늄-238은 핵분열성은 없지만, 중성자 활성화 후 플루토늄-239로 전환될 수 있는 다산성 동위원소이다.

우라늄-235는 약 년의 반감기를 가지며, 우라늄-238 다음으로 안정적인 우라늄 동위원소이다. 우라늄-235는 지구상에 상당한 양으로 존재하는 유일한 핵분열성 우라늄 동위원소이기 때문에 원자로와 핵무기 모두에 중요하다.

우라늄-234는 우라늄 계열의 구성원이며, 245,500년의 반감기로 알파 붕괴를 한다.

이 외에도 우라늄-233, 우라늄-232, 우라늄-230, 우라늄-231, 우라늄-237, 우라늄-240, 우라늄-241, 우라늄-242 등 다양한 동위원소가 존재한다.

5.1. 우라늄-235와 핵분열

우라늄-235는 열중성자, 고속중성자, 양성자, 알파 입자, 중양성자, 감마선 등의 충격에 의해 핵분열을 일으킨다. 열중성자에 의한 핵분열에서는 약 200MeV의 에너지를 방출하며 평균 2.5개의 중성자도 방출한다. 방출된 중성자가 다른 ²³⁵U 원자를 분열시키도록 조건을 주면 핵 연쇄 반응을 일으켜 거대한 에너지를 방출한다.

순수한 ²³⁵U는 1g당 매초 약 3만분의 1개의 원자가 자발 핵분열을 일으키므로 일정량 이상 모이면 연쇄반응에 의해 핵폭발이 일어난다. 이것을 이용한 것이 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 투하된 최초의 원자폭탄인 리틀 보이였다.

5.2. 우라늄-238과 플루토늄-239

Uranium-238^영어(U)은 중성자를 흡수하여 Uranium-239^영어(U)가 될 수 있다. U는 베타 붕괴를 통해 넵투늄-239로 붕괴되고, 이 역시 며칠 안에 베타 붕괴를 통해 플루토늄-239(Pu)로 붕괴된다. Pu는 1945년 7월 16일 뉴멕시코에서 "트리니티 실험"으로 처음 폭발한 원자 폭탄의 핵분열 물질로 사용되었다. U은 핵분열성은 없지만, 중성자 활성화 후 핵분열성 동위원소인 Pu로 전환될 수 있기 때문에 다산성 동위원소이다.

5.3. 우라늄 농축

자연 상태에서 우라늄은 우라늄-238(99.2742%)과 우라늄-235(0.7204%)로 발견된다. 동위원소 분리는 핵무기와 대부분의 원자력 발전소(가스 냉각 원자로와 중수압력관형 원자로 제외)를 위해 핵분열성 우라늄-235를 농축(농도를 높임)한다. 우라늄-235 원자의 핵분열로 방출되는 중성자 대부분은 핵 연쇄 반응을 유지하기 위해 다른 우라늄-235 원자에 충돌해야 한다. 이를 달성하는 데 필요한 우라늄-235의 농도와 양을 '임계 질량'이라고 한다.

'농축'으로 간주되려면 우라늄-235의 비율이 3%에서 5% 사이여야 한다. 이 과정은 우라늄-235가 고갈되고 우라늄-238의 비율이 상응하여 증가된 엄청난 양의 우라늄을 생성하는데, 이를 고갈 우라늄 또는 'DU'라고 한다. '고갈'로 간주되려면 U 농도는 0.3% 이하여야 한다. 2001년 이후 우라늄 가격이 상승했기 때문에 0.35% 이상의 우라늄-235를 함유한 농축 잔류물을 재농축하는 방안이 고려되고 있으며, 2007년 7월 고갈된 육불화우라늄 가격은 5USD에서 130USD 이상으로 상승했다.

기체 육불화우라늄()을 고속 원심분리기를 사용하여 UF와 UF 사이의 분자량 차이로 분리하는 가스 원심분리기 공정은 가장 저렴하고 주요한 농축 공정이다. 기체 확산 공정은 농축의 주요 방법이었으며 맨해튼 계획에서 사용되었다. 이 과정에서 육불화우라늄은 은-아연 막을 통해 반복적으로 확산되며, 우라늄의 다른 동위원소는 확산 속도에 따라 분리된다(우라늄-238이 더 무거우므로 우라늄-235보다 확산 속도가 약간 느리다). 분자 레이저 동위원소 분리 방법은 정확한 에너지의 레이저 빔을 사용하여 우라늄-235와 불소 사이의 결합을 끊는다. 이렇게 하면 우라늄-238이 불소에 결합된 상태로 남고 우라늄-235 금속이 용액에서 침전된다. 농축의 또 다른 레이저 방법으로 원자 증기 레이저 동위원소 분리(AVLIS)가 있는데, 염료 레이저와 같은 가시광선 가변 레이저를 사용한다. 또 다른 방법으로 액체 열확산이 있다.

6. 용도

우라늄은 핵연료 및 핵무기 제조에 사용될 수 있어 주목받는 원소이다. 에너지를 얻기 위한 핵분열에는 우라늄-238이 아닌 우라늄-235가 사용된다. 우라늄-235는 천연에서 얻을 수 있는 유일한 핵분열성 동위원소로, 원자력 분야에서 매우 중요하다.

우라늄-235는 원자력 발전소에서 전기 생산 원료로 쓰이며, 경수로에서는 3~5% 농도로 농축하여 사용한다. 이는 핵분열이 과도하게 활발해지는 것을 막기 위함이다. 핵무기에는 99% 농도의 우라늄-235가 사용된다. 원자로 연료로는 천연 우라늄에서 우라늄-235를 분리하거나, 우라늄-238을 플루토늄-239로 변환시켜 사용하며, 경우에 따라 천연 우라늄을 그대로 사용하기도 한다.

균질로에서는 금속 우라늄(또는 합금)을 성형하여 사용하고, 불균질로에서는 황산염, 질산염 용액을 사용한다. 이우라늄산나트륨(우라늄황)은 유리, 도자기 등의 착색제로 쓰인다. 1972년 프랑수아 페랭은 가봉 오클로 광산에서 17억 년 전 우라늄-235가 약 3% 농도로 존재하여 지속적인 연쇄 반응을 일으켰던 15개의 고대 자연 핵분열 원자로를 발견했다.

우라늄 농축 과정에서 발생한 결핍 우라늄은 밸러스트나 철갑탄 강화에 사용되기도 한다. 우라늄 유리는 유리에 극미량의 우라늄을 첨가한 것으로, 아름다운 형광 녹색을 띤다. 초산우라닐 용액은 전자 현미경 사진 촬영 시 염색제로 사용된다. 우라늄 원자핵 붕괴를 이용해 암석 등의 생성 연대를 측정할 수도 있다.

6.1. 군사적 이용

고농축 우라늄(HEU)은 핵무기 제조에 사용된다. 순수한 ²³⁵U 1g당 매초 약 3만분의 1개의 원자가 자발 핵분열을 일으키므로 일정량 이상 모이면 연쇄반응으로 핵폭발이 일어난다. 이를 이용한 것이 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 투하된 최초의 원자폭탄인 리틀 보이이다. TNT 1만 2,500톤에 해당하는 위력으로 폭발하여 발생한 폭풍과 열파는 건물 약 5만 채를 파괴하고 약 7만 5천 명을 사망에 이르게 했다.

²³⁸U은 중성자를 많이 흡수하여 연쇄반응을 억제하지만, ²³⁹Pu로 변환되어 핵연료로 사용된다. 제2차 세계대전 중 미국의 맨해튼 계획에 의해 육플루오린화 우라늄을 이용한 기체 확산법으로 ²³⁵U와 ²³⁸U를 분리하는 방법이 채택되었다.

군사 분야에서 우라늄은 주로 고밀도 관통탄으로 사용된다. 이 탄약은 티타늄이나 몰리브덴과 같은 다른 원소 1~2%가 합금된 빈화우라늄(DU)으로 구성되어, 중장갑 표적을 파괴하는 데 사용된다. 전차 장갑 및 기타 이동식 차량 장갑도 빈화우라늄 판으로 강화할 수 있다. 그러나 빈화우라늄 사용은 걸프 전쟁과 발칸 전쟁 이후 토양에 남은 우라늄 화합물 문제로 인해 논란이 되고 있다.

빈화우라늄은 방사성 물질 저장 및 운반 용기의 차폐재로도 사용된다. 높은 밀도로 인해 라듐과 같은 강력한 광원으로부터 방사선을 차단하는 데 납보다 효과적이다. 그 외에도 항공기 조종면의 평형추, 미사일 재돌입체의 바라스트, 차폐재, 관성 항법 장치, 자이로 나침반 등에도 사용된다.

제2차 세계 대전 후반, 냉전 기간, 그리고 그 이후에도 제한적으로 우라늄-235는 핵무기 생산을 위한 핵분열성 폭발 물질로 사용되어 왔다. 초기에는 우라늄-235를 사용하는 비교적 간단한 장치와 우라늄-238에서 유래한 플루토늄-239를 사용하는 더 복잡한 장치가 제작되었다. 나중에는 핵융합 폭탄(열핵무기)이 제작되었는데, 이는 플루토늄 기반 장치를 사용하여 트리튬과 중수소의 혼합물을 핵융합 반응하게 한다. 이러한 폭탄은 비핵분열성 우라늄 케이스로 피복되어 핵융합 과정에서 나오는 고속 중성자에 의한 핵분열에서 절반 이상의 에너지를 얻는다.

1950년대와 1960년대 초 소련과 미국의 지상 핵실험과 1970년대와 1980년대까지 프랑스의 핵실험으로 인해 전 세계에 상당량의 우라늄 붕괴 생성핵종으로부터 나온 핵낙진이 퍼져나갔다.

소련 해체 이후, 많은 양의 고농축 무기급 우라늄이 러시아 연방 및 기타 여러 전 소비에트 국가의 시설에 보관되어 있었다. 1993년부터 2005년까지 아시아, 유럽, 남아메리카의 경찰은 16회 이상 밀수된 폭탄급 우라늄이나 플루토늄을 적발했다.

6.2. 민간 이용

우라늄의 민간 부문 주요 용도는 원자력 발전소의 연료이다. 이론적으로 우라늄-235 1kg은 완전한 핵분열을 가정할 때 약 20테라줄(2×10¹³ 줄)의 에너지를 생산할 수 있으며, 이는 150만 kg(1,500톤)의 석탄과 같은 양의 에너지이다.

상업용 원자력 발전소는 일반적으로 우라늄-235가 약 3% 농축된 연료를 사용한다. CANDU와 Magnox 설계는 농축되지 않은 우라늄 연료를 사용할 수 있는 유일한 상업용 원자로이다.

마리 퀴리가 우라늄 광석(피치블렌드)에서 라듐을 발견하고 분리한 것은 라듐을 추출하기 위한 우라늄 채굴의 발전을 촉진했는데, 라듐은 시계와 항공기 다이얼용 야광 페인트를 만드는 데 사용되었다.

방사능 발견 전, 그리고 때때로 발견 후에도 우라늄은 주로 소량으로 노란색 유리와 도자기 유약(예: 우라늄 유리, 피에스타웨어)에 사용되었다. 도자기 유약 외에도 우라늄 타일 유약이 대부분을 차지했는데, 여기에는 녹색, 노란색, 연보라색, 검은색, 파란색, 빨간색 및 기타 색상으로 생산할 수 있는 일반적인 욕실 및 주방 타일이 포함된다.

우라늄은 사진 화학 약품(특히 질산우라늄을 토너로), 무대 조명 전구의 전구 필라멘트, 틀니의 외관 개선, 가죽 및 목재 산업의 얼룩과 염료에도 사용되었다. 우라늄 염은 실크나 양모의 매염제이다. 초산우라닐과 포름산우라닐은 초박절편에서 생물학적 시료의 대비를 높이고 바이러스, 분리된 세포 소기관 및 거대분자의 네거티브 스테이닝에 전자 밀도가 높은 "염색약"으로 투과 전자 현미경에 사용된다.

우라늄의 방사능 발견은 이 원소의 추가적인 과학적 및 실용적 용도를 가져왔다. 우라늄-238의 긴 반감기(4.47×10⁹년)는 초기 화성암의 연대 추정 및 우라늄-토륨 연대 측정법, 우라늄-납 연대 측정법, 우라늄-우라늄 연대 측정법을 포함한 기타 유형의 방사성 동위원소 연대 측정에 적합하다. 우라늄 금속은 고에너지 X선 제작 시 X선 표적으로 사용된다.

7. 생산 및 매장량

2021년 전 세계 우라늄 생산량은 48,332톤이었으며, 주요 생산국은 카자흐스탄(45%), 나미비아(11.9%), 캐나다(9.7%), 오스트레일리아(8.7%), 우즈베키스탄(7.2%), 러시아(5.5%)이다.

우라늄 광석은 천공 채굴, 지하 채굴, 현장 용출 및 시추공 채굴 등 여러 가지 방법으로 채굴된다. 일반적으로 채굴되는 저품위 우라늄 광석은 0.01~0.25%의 우라늄 산화물을 함유하고 있다.

세계적으로 알려진 우라늄 광석 매장량의 28%는 오스트레일리아에 있으며, 세계 최대 단일 우라늄 광상은 남호주 올림픽 댐에 있다.

2005년 기준 세계 우라늄 농축 산화물 생산량과 2021년 우라늄 생산량은 다음과 같다.

8. 인체 노출 및 영향

인간은 오염된 물과 음식을 먹거나, 공기 중 먼지를 흡입함으로써 우라늄(또는 라돈 등 방사능에 의한 소산물)에 노출될 수 있다. 대기 중 우라늄 양은 일반적으로 매우 적지만, 다음과 같은 경우 노출이 증가할 수 있다.

* 인산염 비료를 가공하는 공장에서 일하는 경우
* 핵무기를 만들거나 실험하는 국가 기관 주변에 거주하는 경우
* 열화 우라늄 무기들을 사용하는 현대의 전쟁터 주변에서 일하거나 거주하는 경우
* 우라늄광을 가공하는 공장인 석탄 화력 공장 주변에 살거나 일하는 경우
* 우라늄 광상 위의 집이나 구조물(천연 또는 인공 광재)에 거주하는 경우 (라돈 기체 노출 가능성 증가)

직업 안전 및 보건 법령(OSHA)은 8시간 업무일 기준 작업장에서의 우라늄 노출 허용치를 0.25 mg/m³로 설정하였다. 미국 국립 직업안전위생연구소(NIOSH)는 권고 노출 제한치(REL)를 8시간 업무일 기준 0.2 mg/m³로, 단기적 제한치는 0.6 mg/m³로 설정하였다. 10 mg/m³ 수치에서 우라늄은 생명이나 건강에 즉시 위태롭게 만들 수 있다.

섭취된 우라늄 대부분은 소화 과정에서 배설된다. 산화물과 같은 불용성 우라늄의 경우 섭취 시 0.5%만 흡수되지만, 더 용해성이 높은 우라닐 이온의 흡수율은 최대 5%에 달할 수 있다. 용해성 우라늄 화합물은 신체를 빠르게 통과하는 경향이 있지만, 불용성 우라늄 화합물, 특히 먼지 형태로 폐에 흡입될 경우 더 심각한 노출 위험을 초래한다. 혈류에 들어간 흡수된 우라늄은 생물 축적되는 경향이 있으며, 우라늄의 인산염에 대한 친화력 때문에 수년 동안 뼈 조직에 남아 있다. 흡수된 우라늄은 우라닐 이온이 되어 뼈, 간, 신장 및 생식 조직에 축적된다.

우라늄은 피부를 통해 흡수되지 않으며, 우라늄이 방출하는 알파 입자는 피부를 투과할 수 없다. 우라늄은 강철 표면과 대수층에서 제거될 수 있다.

신장, 뇌, 간, 심장 및 기타 기관의 정상적인 기능은 우라늄에 노출되면 영향을 받을 수 있다. 우라늄은 약한 방사능을 띠는 것 외에도 중금속 독성을 가진 중금속이기 때문이다. 우라늄은 또한 생식 독성 물질이다. 방사선 영향은 일반적으로 국소적이다. 왜냐하면 주요 붕괴 형태인 알파선은 매우 짧은 사정거리를 가지며 피부를 투과하지 않기 때문이다. 흡입된 우라늄에서 나오는 알파선은 노출된 원자력 노동자에게 폐암을 유발하는 것으로 입증되었다. 질병통제예방센터(CDC)는 천연 우라늄 또는 열화 우라늄 노출로 인한 인체 암 발생 사례가 없다는 연구 결과를 발표했지만, 우라늄과 그 붕괴 생성물, 특히 라돈에 대한 노출은 상당한 건강 위협이 된다.

고농도의 육불화우라늄을 우연히 흡입하여 사망한 사례가 있지만, 이러한 사망은 우라늄 자체보다는 고독성 불화수소산과 플루오르화 우라닐의 생성과 관련이 있었다. 미세하게 분쇄된 우라늄 금속은 우라늄이 발화성이기 때문에 화재 위험을 초래한다. 작은 입자는 상온에서 공기 중에서 자연적으로 발화된다.

우라늄 금속은 일반적으로 장갑을 끼고 취급하는 것이 충분한 예방 조치이다. 우라늄 농축물은 사람들이 흡입하거나 섭취하지 않도록 취급 및 보관된다.

9. 대한민국 옥천 누층군의 우라늄

옥천 누층군은 대한민국 옥천 습곡대에 분포하는 변성퇴적암 지층으로, 탄질 흑색 점판암에 우라늄이 함유되어 있다는 사실은 1956년 중앙지질광물연구소의 조사에서 처음 알려졌다. 그 이후 우라늄 개발 가능성을 밝히기 위해 여러 지화학적, 광물학적 조사가 수행되어 왔다. 옥천 누층군 내 우라늄 광화대는 괴산군을 기점으로 보은군, 옥천군을 거쳐 대전광역시 서남부까지 이어진다.

충청북도 괴산군 지역의 옥천대 하부천매암층은 우라늄 함량이 높은 지층이 있는 것으로 알려져 있으며, 1972~1986년 한국지질자원연구원에 의해 정밀 지화학탐사와 시추 탐사가 수행되었다. 옥천 누층군의 일부인 구룡산층은 우라늄을 함유한 흑연질 점판암으로 옥천대 내에서 90 km 이상 연장되며, 우라늄 함량 최고치가 294 ppm인 것으로 보고되었다. 충북과 충남에서 저품위 40~660만 톤의 우라늄 매장량이 보고되었으며, 시추탐사 결과 우라늄 매장량이 가장 큰 광상은 괴산군 덕평리 광상(10,696,000 M/T)이다. 현재 우라늄광산은 충북의 3개, 충남의 4개 광산에서 우라늄이 개발된 기록이 있다.

9.1. 방사능 원소와 함량 (옥천 누층군)

옥천 누층군 흑색 점판암에는 우라늄, 몰리브데넘, 바나듐, 고정탄소 등이 높은 상관관계를 보이며 함유되어 있다. 대전-금산군 지역 토양에서는 우라늄 독성 위해도가 존재하는 것으로 나타났다.

괴산군 덕평리 지역에서는 우라늄 함량이 매우 높은 토양(최대 725 ppm)과 농작물(최대 0.99 ppm)이 발견되었다.

* 김태순 외(1978)는 덕평리 지역 농작물의 우라늄 평균 함량을 조사하였다. 그 결과 깨 0.99 ppm, 감자 0.92 ppm, 벼 0.6 ppm, 콩 0.52 ppm, 보리 0.37 ppm, 옥수수 0.26 ppm이며 덕평리 주민 1인이 하루에 섭취하는 우라늄의 양은 247.3 마이크로그램인 것으로 측정되었다.
* 최선경 외(1999)는 덕평리 지역 표토 시료를 채취하여 조사한 결과 논 118 ppm, 밭 109 ppm, 산 221 ppm, 광미시료 299 ppm, 산토양 시료에서 725 ppm에 이르는 결과가 나왔다.

보은군 회남면 보은광산 주변 토양에서는 자연방사능이 매우 높은 수준(최고 연간 19.71 mSv)으로 나타났다. 이는 일본에서 실외 활동 제한의 기준이 되는 방사선량(시간당 3.8 µSv)이나 이란 람사르 지역의 자연 방사선(연간 10.2 mSv)보다 높은 수치이다.

9.2. 지표 자연방사선량 (옥천 누층군)

옥천 누층군 지역은 대한민국에서 지표 방사선량이 높게 나타나는 지역 중 하나이다. 특히 괴산군, 보은군, 금산군, 대전광역시 등에서 높은 심부선량이 관측되었다.

소방방재청(2006)의 조사에 따르면, 괴산군의 심부선량은 평균 0.44 mSv/y, 최대 5.32 mSv/y로 나타났다. 특히 괴산군 청천면 대전리에서는 1.2~5.3 mSv/y, 덕평리에서는 3.2~3.9 mSv/y의 매우 높은 심부선량이 관측되었다. 이는 옥천 누층군 내 탄질 흑색 점판암에 우라늄이 함유되어 있기 때문으로, 1956년 중앙지질광물연구소의 조사에서 처음 알려졌다. 괴산군 청천면 덕평리 지역에서는 우라늄 지층으로 인해 옥외 유효선량률 최고치(1.71 mSv/y)가 기록되었다.

윤욱과 조병욱(2019, 2020)의 연구에 따르면, 옥천 누층군 암석의 칼륨-40 함량은 0.65~10.29% (205~3220 Bq/kg), 우라늄-238 함량은 0.63~287.0 ppm (7.81~3544.5 Bq/kg), 토륨-232 함량은 4.00~102.4 ppm (16.24~415.9 Bq/kg)으로, 국내 다른 지역보다 높게 나타났다. 421개 지점에서 지표방사능을 측정한 결과, 일반인의 옥외 유효선량 한도인 1 mSv/y를 초과하는 4개 지점(금산군 1.78 mSv/y, 괴산군 1.24 mSv/y 및 1.45 mSv/y, 보은군 1.36 mSv/y)이 발견되었으며, 이들은 모두 우라늄층을 포함하는 하부천매암대에 위치한다.

다음은 옥천대 지역과 다른 국가들의 연간 대지 방사선량을 비교한 표이다.

다음은 옥천대 지역과 다른 식품의 칼륨-40 함량을 비교한 표이다.

9.3. 지하수의 우라늄 (옥천 누층군)

옥천 누층군은 대한민국 옥천 습곡대에 분포하는 변성퇴적암 지층으로, 탄질 흑색 점판암에 우라늄이 함유되어 있다. 1956년 중앙지질광물연구소의 조사에서 처음으로 우라늄 함유 사실이 알려진 이후, 우라늄 개발 가능성을 확인하기 위한 여러 조사가 진행되었다. 옥천 누층군 내 우라늄 광화대는 괴산군에서 보은군, 옥천군을 거쳐 대전광역시 서남부까지 이어진다.

옥천 누층군의 우라늄은 충청도 지역 지하수에 영향을 미치고 있다. 우라늄 함량이 일정량 이상인 지하수를 장기간 마시면 암이나 신장 독성을 유발할 수 있어, 음용수의 우라늄 함량은 2~30 µg/L로 제한된다. 그러나 지하수 중 우라늄 농도가 위해성 기준치를 초과하는 지역은 함우라늄 암석 분포 지역의 일부에 한정된다.

* 김통권 외(1999)의 연구에 따르면, 우라늄 함량이 높은 옥천 누층군 탄질이암 분포 지역 내 지하수에서 검출된 우라늄 함량은 0.01~4.36 µg/L로 낮았다. 이는 탄질이암 내 바나듐이 지하수에 녹아 우라늄과 결합하여 물에 녹지 않는 우라늄 광물을 형성하기 때문으로 추정된다.
* 최미정(2000)은 덕평리 지역에서 과거 우라늄 채굴에 사용되었던 갱도의 갱내수는 미국 EPA의 수질 기준치(20 µg/L)를 초과하는 21 및 30 µg/L가 측정되었으나, 다른 시료에서는 기준치를 초과하지 않았다고 밝혔다.
* 소방방재청(2006)에 따르면 옥천대 지하수의 라돈 농도 범위는 82~2950 pCi/L이며, 92개소에서 미국 환경보호청 음용수 기준(300 pCi/L)을 초과했다. 지하수의 우라늄 농도는 갱내수에서 51~3334 ppb, 하천수 113.4 ppb, 지하수는 평균 10 ppb였다.
* 황정(2010)은 괴산군에서 금산군에 이르는 옥천대 우라늄 광화대 퇴적암 분포 지역 지하수의 수리지화학적 연구를 수행하였다. 석탄광산 폐수에서 함우라늄층과의 반응으로 1165 µg/L의 매우 높은 우라늄 수치가 나왔으나, 지하수의 우라늄 함량은 최대 3.2 µg/L 이하로 매우 낮았다. 대전광역시 지역 지하수 내 우라늄은 옥천대 우라늄 광화대로부터 공급되지 않은 것으로 나타났다.
* 조병욱(2017)은 우라늄이 함유된 탄질점판암과 화강암이 많이 분포하는 충청북도 괴산군 지역 200개 지점 지하수의 암석 내 우라늄 함량을 측정하였다. 옥천 누층군 하부천매암대의 우라늄 최고 함량은 14.9 ppm으로 측정되었으나, 전체적으로 우라늄 함량이 가장 높은 암석은 백악기 화강암(3.0~11.6 ppm)이었다. 지하수의 우라늄 함량 최고치는 백악기 화강암 최고 293.0 µg/L, 옥천 누층군 21.5 µg/L, 전체 평균 5.29 µg/L로, 국내 전체 지하수의 우라늄 함량과 비슷한 수준이었다.

9.4. 금산군 창리층의 우라늄

대전광역시와 금산군 지역에 분포하는 옥천 누층군 창리층은 주로 편암, 천매암, 점판암으로 구성되어 있으며, 석탄과 석회암이 얇게 협재되어 있다. 변성도가 낮은 탄질 점판암 중에는 우라늄 광물이 함유되어 있다. 특히, 금산군 복수면 수영리 일대의 점판암 내에서 탄질 성분이 우세한 부분에 우라늄 광체가 집중적으로 분포하고 있다.

10. 환경 내 우라늄

슈와넬라 푸트레파시엔스, 지오박터 메탈리레두켄스, 버크홀데리아 푼고룸의 일부 균주와 같은 특정 박테리아는 성장을 위해 우라늄을 사용하며, U(VI)를 U(IV)로 전환한다. 이 과정은 가용성 U(VI)가 중간 U(V) 5가 상태를 거쳐 환원되는 것을 포함한다.

지의류의 일종인 Trapelia involuta나 박테리아인 시트로박터와 같은 유기체는 주변 환경보다 최대 300배까지 우라늄 농도를 높게 흡수할 수 있다. 시트로박터 종은 글리세롤 인산(또는 유사한 유기 인산염)을 공급받으면 우라닐 이온을 흡수한다. 하루 뒤, 박테리아 1그램은 9그램의 우라닐 인산염 결정으로 뒤덮일 수 있다. 이는 이러한 유기체가 우라늄 오염수를 생물학적 복원하여 정화하는 데 사용될 가능성을 제시한다.

보호 박테리아인 지오박터는 지하수의 우라늄을 생물학적으로 복원하는 것으로 밝혀졌다. 균근균인 글로무스 인트라라디세스는 공생 식물의 뿌리 내 우라늄 함량을 증가시킨다.

자연에서 우라늄(VI)은 알칼리성 pH에서 잘 녹는 탄산염 복합체를 형성한다. 이는 핵 폐기물에서 지하수와 토양으로 우라늄이 이동하고 이용될 가능성을 높여 건강상의 위험을 초래한다. 그러나 알칼리성 pH에서 과량의 탄산염이 존재할 때 인산염으로 우라늄을 침전시키는 것은 어렵다. 스핑고모나스 sp. 균주 BSAR-1은 알칼리성 용액에서 우라닐 인산염 형태로 우라늄을 생물학적으로 침전시키는 데 사용되는 높은 활성의 알칼리성 포스파타제(PhoK)를 발현한다. 대장균에서 PhoK 단백질을 과발현시키면 침전 능력이 향상된다.

식물은 토양에서 일부 우라늄을 흡수한다. 식물 내 우라늄의 건조 중량 농도는 5~60ppb(십억분율)이며, 태운 나무 재는 최대 4ppm(백만분율)의 농도를 가질 수 있다. 식량으로 사용되는 식물의 우라늄 건조 중량 농도는 일반적으로 더 낮으며, 사람이 섭취하는 음식을 통해 매일 1~2μg(마이크로그램)이 섭취된다.