우라늄-238

1. 개요

우라늄-238은 알파 붕괴를 통해 토륨-234로 붕괴하며, 최종적으로 납-206으로 붕괴되는 우라늄의 동위 원소이다. 우라늄-238의 붕괴열은 지구 지열의 일부를 차지하며, 붕괴 과정에서 생성되는 라돈은 방사선 위험을 발생시키기도 한다. 우라늄-238의 붕괴 사슬은 라듐 계열로 불리며, 토륨, 라돈, 폴로늄 등 다양한 원소를 포함한다. 우라늄-238은 최소한의 방사능을 띠지만, 붕괴 생성물은 베타 입자를 방출하며, 우라늄-234는 수십만 년의 반감기를 가진다.

2. 우라늄-238의 특성

우라늄-238(²³⁸U)은 자연에 존재하는 우라늄 동위원소 중 가장 많은 양을 차지하며, 약 45억 년이라는 매우 긴 반감기를 가진다. 알파 붕괴를 통해 토륨-234(²³⁴Th)로 변환되며, 이 붕괴 과정은 최종적으로 안정한 납-206(²⁰⁶Pb)이 될 때까지 계속된다. 이러한 일련의 붕괴 과정을 붕괴 사슬이라고 한다.

우라늄-238의 붕괴는 지구 내부열 발생의 일부를 담당한다. 우라늄-238 1몰(약 238g)은 초당 약 3백만 개의 알파 입자를 방출하며, 이 과정에서 열이 발생한다. 지구 전체적으로 보면 우라늄-238의 붕괴열은 지구 지열의 약 18%를 차지하는 것으로 알려져 있다.

우라늄-238은 자체적으로 핵분열을 일으키지는 않지만, 중성자를 흡수하여 핵분열성 물질인 플루토늄-239(²³⁹Pu)로 변환될 수 있다. 이 특성을 이용하여 고속 증식로에서는 우라늄-238을 핵연료로 활용하려는 연구가 진행되고 있다.

우라늄-238은 방사성 연대 측정에도 사용된다. 우라늄-238과 그 붕괴 생성물의 비율을 측정하여 암석이나 광물의 연대를 추정할 수 있다. 특히, 우라늄-납 연대 측정법은 100만 년 이상 된 암석의 연대를 측정하는 데 유용하며, 지구의 나이를 추정하는 데에도 중요한 역할을 했다.

2.1. 붕괴 사슬

Decay chain^영어 또는 붕괴 사슬은 일반적으로 "라듐 계열"(또는 "우라늄 계열")이라고 불린다. 자연적으로 발생하는 우라늄-238부터 시작하여 이 계열에는 아스타틴, 비스무트, 납, 폴로늄, 프로트악티늄, 라듐, 라돈, 탈륨, 토륨 원소가 포함된다. 우라늄을 함유하는 모든 금속, 화합물, 광물 내에는 우라늄-238의 방사성 붕괴에 따른 생성물이 모두 적어도 일시적으로라도 포함되어 있다.

우라늄-238의 붕괴는 아래와 같이 진행된다.

:$\backslash begin\{array\}\{l\}\{\}\backslash \backslash$
\ce{^{238}_{92}U->[\alpha][4.468 \times 10^9 \ \ce y] {^{234}_{90}Th} ->[\beta^-][24.1 \ \ce d] {^{234\!m}_{91}Pa}}
\begin{Bmatrix}
\ce{->[0.16\%][1.17 \ \ce{min}] {^{234}_{91}Pa} ->[\beta^-][6.7 \ \ce h]} \\
\ce{->[99.84\%\ \beta^-][1.17 \ \ce{min}]}
\end{Bmatrix}
\ce{^{234}_{92}U ->[\alpha][2.445 \times 10^5 \ \ce y] {^{230}_{90}Th} ->[\alpha][7.7 \times 10^4 \ \ce y] {^{226}_{88}Ra} ->[\alpha][1600 \ \ce y] {^{222}_{86}Rn}}
\\
\ce{^{222}_{86}Rn ->[\alpha][3.8235 \ \ce d] {^{218}_{84}Po} ->[\alpha][3.05 \ \ce{min}] {^{214}_{82}Pb} ->[\beta^-][26.8 \ \ce{min}] {^{214}_{83}Bi} ->[\beta^-][19.9 \ \ce{min}] {^{214}_{84}Po} ->[\alpha][164.3 \ \mu\ce{s}] {^{210}_{82}Pb} ->[\beta^-][22.26 \ \ce y] {^{210}_{83}Bi} ->[\beta^-][5.012 \ \ce d] {^{210}_{84}Po} ->[\alpha][138.38 \ \ce d] {^{206}_{82}Pb}}
\end{array}



간단하게 요약하면 다음과 같다.

* 우라늄-238 (U-238) -> 토륨-234 (Th-234): 알파 붕괴
* 토륨-234 (Th-234) -> 프로트악티늄-234 (Pa-234): 베타 붕괴
* 프로트악티늄-234 (Pa-234) -> 우라늄-234 (U-234): 베타 붕괴
* 우라늄-234 (U-234) -> 토륨-230 (Th-230): 알파 붕괴
* 토륨-230 (Th-230) -> 라듐-226 (Ra-226): 알파 붕괴
* 라듐-226 (Ra-226) -> 라돈-222 (Rn-222): 알파 붕괴
* 라돈-222 (Rn-222) -> 폴로늄-218 (Po-218): 알파 붕괴
* 폴로늄-218 (Po-218) -> 납-214 (Pb-214): 알파 붕괴
* 납-214 (Pb-214) -> 비스무트-214 (Bi-214): 베타 붕괴
* 비스무트-214 (Bi-214) -> 폴로늄-214 (Po-214): 베타 붕괴
* 폴로늄-214 (Po-214) -> 납-210 (Pb-210): 알파 붕괴
* 납-210 (Pb-210) -> 비스무트-210 (Bi-210): 베타 붕괴
* 비스무트-210 (Bi-210) -> 폴로늄-210 (Po-210): 베타 붕괴
* 폴로늄-210 (Po-210) -> 납-206 (Pb-206): 알파 붕괴(안정)

우라늄-238이 붕괴되는 과정중에 기체 동위체인 라돈-222가 있는데, 우라늄이 많이 매장되어 있는 지역의 지하에는 라돈의 방사선으로 연간 100~300 mSv가 관측되는 지역도 존재한다.