우라늄-235

1. 개요

우라늄-235는 핵분열이 가능한 우라늄의 동위원소로, 핵분열 시 에너지를 방출하며, 핵무기 및 원자력 발전소의 연료로 사용된다. 우라늄-235는 중성자와 충돌 시 핵분열을 일으켜 에너지를 방출하며, 연쇄 반응을 통해 임계 질량에 도달하면 지속적인 핵분열이 일어난다. 자연계에 0.7204% 존재하며, 핵연료로 사용하기 위해서는 농축 과정이 필요하다. 원자력 발전소, 핵무기, 인공위성 연료 등으로 사용되며, 히로시마에 투하된 원자 폭탄에 사용되기도 했다. 우라늄-235는 7억 400만 년의 반감기를 가지며, 방사성 붕괴를 통해 납-207으로 변환된다.

2. 핵분열 특성

우라늄-235 원자 1개의 핵분열은 원자로 내부에서 202.5MeV (3.24J)의 에너지를 방출한다. 이는 19.54TJ/mol 또는 83.14TJ/kg에 해당한다. 또 다른 8.8MeV는 반중성미자 형태로 원자로에서 빠져나간다.

우라늄-235 핵분열에서 나온 중성자가 다른 핵에 충돌하여 핵분열을 일으키면 연쇄 반응이 계속된다. 반응이 자체적으로 계속 유지되면 임계 상태라고 하며, 임계 상태를 생성하는 데 필요한 ²³⁵U의 질량을 임계 질량이라고 한다. 핵분열에서 나온 중성자를 중성자 감속재로 감속하여 속도를 낮추면 ²³⁵U의 낮은 농도에서도 임계 연쇄 반응을 달성할 수 있다. 이는 열 중성자로 핵분열할 확률이 더 크기 때문이다. 핵분열 연쇄 반응은 중간 질량 파편을 생성하는데, 이는 매우 방사성이며 방사성 붕괴에 의해 추가적인 에너지를 생성한다. 이 중 일부는 지연 중성자라고 하는 중성자를 생성하여 핵분열 연쇄 반응에 기여한다. 원자로의 출력은 원자로 노심 내에서 중성자를 강하게 흡수하는 원소, 예를 들어 붕소, 카드뮴, 또는 하프늄을 포함하는 제어봉의 위치에 의해 조정된다. 핵무기에서는 반응이 통제되지 않아 다량의 에너지가 방출되어 핵폭발을 일으킨다.

중수형 원자로와 일부 흑연 감속 원자로는 천연 우라늄을 사용할 수 있지만, 경수형 원자로는 경수의 높은 중성자 흡수로 인해 저농축 우라늄을 사용해야 한다. 우라늄 농축은 일부 우라늄-238을 제거하고 우라늄-235의 비율을 증가시킨다. 우라늄-235의 비율이 훨씬 더 높은 고농축 우라늄 (HEU)은 때때로 원자력 잠수함, 연구용 원자로 및 핵무기 설계의 원자로에서 사용된다.

2.1. 핵분열 반응식

n + → + + 3 n

3. 이용

우라늄-235는 핵분열을 일으키는 성질 때문에 핵연료와 핵무기에 사용된다.

경수형 원자로에서는 농축된 우라늄을 사용하며, 원자력 잠수함과 같은 특수한 경우에는 고농축 우라늄을 사용하기도 한다. 핵분열 반응을 안정적으로 유지하기 위해 중성자 흡수재를 사용한다.

핵무기에는 고농축 우라늄이 사용되며, 히로시마에 투하된 리틀 보이가 그 예시이다. 현대 핵무기 설계에서는 플루토늄-239를 사용하기도 하지만, 고농축 우라늄은 여전히 중요한 역할을 한다. 우라늄-235의 핵분열은 막대한 에너지를 방출한다.

소련의 해양 정찰 위성(RORSAT)과 같은 일부 인공위성은 우라늄-235를 연료로 하는 원자로를 사용했다.

3.1. 핵연료로써의 이용

경수형 원자로에서는 약 4.5% 농축된 우라늄을 사용하며, 실험용 원자로에서는 경우에 따라 10~60%까지 농축하기도 한다. 원자력 잠수함이나 선박용 원자로에는 최대 95%까지 농축된 우라늄을 사용하기도 한다. 그러나 핵분열 반응을 안정적으로 유지하기 위해 중성자 흡수재인 가돌리늄, 사마륨, 디스프로슘 등을 첨가하여 핵연료를 제조한다.

중수형 원자로와 일부 흑연 감속 원자로는 천연 우라늄을 사용할 수 있지만, 경수형 원자로는 경수의 높은 중성자 흡수 때문에 저농축 우라늄을 사용해야 한다. 우라늄 농축은 일부 우라늄-238을 제거하고 우라늄-235의 비율을 증가시킨다.

핵분열에서 나온 중성자를 중성자 감속재로 감속하여 속도를 낮추면 우라늄-235의 낮은 농도에서도 임계 연쇄 반응을 달성할 수 있다. 이는 열 중성자로 핵분열할 확률이 더 크기 때문이다. 핵분열 연쇄 반응은 중간 질량 파편을 생성하는데, 이는 매우 방사성이며 방사성 붕괴에 의해 추가적인 에너지를 생성한다. 이 중 일부는 지연 중성자를 생성하여 핵분열 연쇄 반응에 기여한다. 원자로의 출력은 원자로 노심 내에서 중성자를 강하게 흡수하는 원소, 예를 들어 붕소, 카드뮴, 또는 하프늄을 포함하는 제어봉의 위치에 의해 조정된다.

3.2. 핵무기로써의 이용

우라늄-235는 스스로 핵분열이 가능하여 핵무기의 원료로 사용될 수 있다. 핵무기에는 우라늄-235의 비율이 90~99%인 고농축 우라늄(HEU)이 사용된다.

임계 질량은 54kg이지만, 중성자 반사체를 사용하면 10kg까지 줄일 수 있다. 그러나 경제성 있는 핵무기를 만들기 위해서는 폭발 질량을 20kg로 맞출 필요가 있다. 1945년 8월 6일 히로시마에 투하된 리틀 보이는 고농축 우라늄을 사용한 총열형 핵분열 무기였다.

현대 핵무기 설계는 1차 단계에서 플루토늄-239를 주로 사용하지만, 고농축 우라늄은 2차 단계에서 융합 연료 점화기로 사용되기도 한다.

우라늄-235 원자 1개의 핵분열은 ()의 에너지를 방출한다. 이는 19.54 TJ/mol, 또는 83.14 TJ/kg에 해당한다. 핵분열 반응의 예시는 다음과 같다.

다음은 핵분열 시 방출되는 에너지의 평균값에 대한 표이다.

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📌 열 고정 해제

출처	평균 방출 에너지 (MeV)
즉시 방출되는 에너지
핵분열 파편의 운동 에너지	169.1
즉발 중성자의 운동 에너지	4.8
즉발 γ선의 에너지	7.0
핵분열 생성물 붕괴로 인한 에너지
β− 입자의 에너지	6.5
지연 γ선의 에너지	6.3
핵분열을 (재)생산하지 않는 즉발 중성자가 포획될 때 방출되는 에너지	8.8
작동 중인 열 중성자 원자로에서 열로 변환된 총 에너지	202.5
반중성미자의 에너지	8.8
합계	211.3

3.3. 기타 이용

소련의 해양 정찰 위성(RORSAT) 등 일부 인공위성은 우라늄-235를 연료로 하는 원자로를 사용했다. (코스모스 954호도 참조)

4. 지구 역사와 우라늄-235

초창기 지구 시절 우라늄-235는 지각에 2ppm의 농도로 함유되어 있었다. 당시 우라늄-235는 주석만큼이나 풍부하였다. 하지만 우라늄-238에 비해 반감기가 월등히 짧기 때문에 급격히 줄어들어 현재는 0.7204%까지 함유량이 줄게 되었다.

당시 우라늄 광석에 우라늄-235 함유 비율은 25%가 넘는 경우도 있었기 때문에 그 자체로도 핵연료로 이용 가능했었다. 또한 우라늄-235의 붕괴열은 초기 지구 내부 지열에 상당히 기여했었다. 지금은 지각에 불과 19.5ppb밖에 함유되어 있지 않아 지구 초기에 비해 100분의 1 이상 줄어들었다.

먼 미래에는 우라늄-235가 거의 사라지고 우라늄-238이 광석 내부에 거의 100% 가까이 존재하게 될 것이다.

5. 붕괴

Uranium-235^영어는 7억 400만 년의 반감기를 가진다. 자연 붕괴 사슬은 다음과 같다.