토륨
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1. 개요
토륨은 은색의 방사성 악티늄족 금속 원소로, 다양한 결정 구조를 가지며, 고온에서 안정적인 성질을 가진다. 핵분열성 물질인 우라늄-233을 생성할 수 있어 핵연료로 사용될 가능성이 있으며, 가스 맨틀, 렌즈, 합금 등에도 활용된다. 토륨은 자연계에 232Th 형태로 존재하며, 붕괴 생성물은 방사선 위험을 야기할 수 있다. 토륨 분말은 자연 발화성이 있으며, 체내 흡입 시 폐, 췌장, 간에 대한 발암 위험이 있다.
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토륨 | |
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기본 정보 | |
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이름 | 토륨 |
영어 이름 | thorium |
일본어 이름 | トリウム |
문화어 | 토리움 |
로마자 표기 | torium |
원자 번호 | 90 |
원소 기호 | Th |
왼쪽 원소 | 악티늄 |
오른쪽 원소 | 프로트악티늄 |
위쪽 원소 | 세륨 |
아래쪽 원소 | 불명 |
족 | n/a |
계열 | 악티늄족 |
주기 | 7 |
구역 | f |
겉모습 | 은백색 |
원자 질량 | 232.0381 |
전자 배치 | [Rn] 6d2 7s2 |
껍질당 전자 수 | 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2 |
상온 상태 | 고체 |
밀도 (상온) | 11.7 |
녹는점 | 2115 K (1842 °C) |
끓는점 | 5061 K (4788 °C) |
융해열 | 13.81 kJ/mol |
기화열 | 514 kJ/mol |
열용량 | 26.230 J/mol·K |
증기압 (1 Pa) | 2633 K |
증기압 (10 Pa) | 2907 K |
증기압 (100 Pa) | 3248 K |
증기압 (1 kPa) | 3683 K |
증기압 (10 kPa) | 4259 K |
증기압 (100 kPa) | 5055 K |
결정 구조 | 면심 입방정계 |
산화 상태 | 4, 3, 2 (약염기성 산화물) |
전기 음성도 | 1.3 |
이온화 에너지 (1차) | 587 kJ/mol |
이온화 에너지 (2차) | 1110 kJ/mol |
이온화 에너지 (3차) | 1930 kJ/mol |
원자 반지름 | 179 pm |
공유 반지름 | 206 ± 6 pm |
자기 정렬 | 상자성 |
전기 저항 (0°C) | 147 nΩ·m |
열전도율 | 54.0 W/m·K |
열팽창 계수 (25°C) | 11.0 µm/m·K |
소리 속도 (막대, 20°C) | 2490 m/s |
영률 | 79 GPa |
전단 탄성 계수 | 31 GPa |
부피 탄성 계수 | 54 GPa |
푸아송 비 | 0.27 |
모스 경도 | 3.0 |
비커스 경도 | 350 MPa |
브리넬 경도 | 400 MPa |
CAS 등록 번호 | 7440-29-1 |
동위 원소 | |
질량수 | 228 |
존재비 | 미량 |
반감기 | 1.9116 y |
붕괴 방식 | α |
붕괴 에너지 | 5.520 MeV |
붕괴 후 원자 질량 | 224 |
붕괴 후 원소 기호 | Ra |
질량수 | 229 |
존재비 | 인공 |
반감기 | 7340 y |
붕괴 방식 | α |
붕괴 에너지 | 5.168 MeV |
붕괴 후 원자 질량 | 225 |
붕괴 후 원소 기호 | Ra |
질량수 | 230 |
존재비 | 미량 |
반감기 | 75380 y |
붕괴 방식 | α |
붕괴 에너지 | 4.770 MeV |
붕괴 후 원자 질량 | 226 |
붕괴 후 원소 기호 | Ra |
질량수 | 231 |
존재비 | 미량 |
반감기 | 25.5 h |
붕괴 방식 | β |
붕괴 에너지 | 0.39 MeV |
붕괴 후 원자 질량 | 231 |
붕괴 후 원소 기호 | Pa |
질량수 | 232 |
존재비 | 100% |
반감기 | 1.405 × 1010 y |
붕괴 방식 | α |
붕괴 에너지 | 4.083 MeV |
붕괴 후 원자 질량 | 228 |
붕괴 후 원소 기호 | Ra |
질량수 | 234 |
존재비 | 미량 |
반감기 | 24.1 d |
붕괴 방식 | β |
붕괴 에너지 | 0.27 MeV |
붕괴 후 원자 질량 | 234 |
붕괴 후 원소 기호 | Pa |
2. 성질
토륨은 중간 정도 부드럽고, 상자성을 가지는 밝은 은색의 악티늄족 금속이다. 주기율표상으로 악티늄(Ac)의 오른쪽, 프로트악티늄(Pa)의 왼쪽, 세륨(Ce)의 아래쪽에 배열된다. 순수한 토륨은 연성이 좋다. 토륨 금속은 실온에서 면심입방격자 구조를 가지며, 온도와 압력에 따라 다른 두 가지 결정 구조도 가질 수 있는데 1360 °C 이상에서는 체심입방격자, 100 GPa 정도의 압력에서는 정방정계 구조를 가진다.
토륨 금속은 54 GPa의 체적 탄성 계수를 가지는데, 이는 주석(Sn)의 경우인 58.2 GPa와 비슷한 값이다. 알루미늄은 75.2 GPa, 구리는 137.8 GPa, 그리고 연철(mild steel)의 경우는 160–169 GPa이다. 토륨은 연철 정도의 단단함을 가지기 때문에 열을 가하면 시트, 판으로 만들거나 줄로 뽑아낼 수도 있다.
토륨은 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)의 절반 정도의 밀도를 가지며 그 둘보다 단단하다. 1.4 K 이하의 온도에서는 초전도체가 된다. 토륨의 녹는점은 1750 °C로 악티늄(1227 °C)과 프로트악티늄(1568 °C)의 경우보다 높다. 7주기가 시작되는 부분, 즉 프랑슘(Fr)에서 토륨으로 갈수록 원소들의 녹는점은 증가하는데, 그 이유는 원자가 가진 비국소 전자의 개수가 많아지고(프랑슘은 1개, 토륨은 4개)금속에서 전자와 금속 이온 부분의 결합(금속 결합)이 더 강해진다는 것이다. 또 토륨에서 플루토늄까지 녹는점이 낮아지는 경향도 있는데, 이 두 원소 사이의 구간에서 5f 오비탈에 있는 전자 개수는 0.4에서 6으로 증가한다. 이 경향은 5f와 6d 오비탈의 혼성화가 증가하고 복잡한 결정 구조 안의 방향성 결합(directional bond) 형성으로 인한 금속결합의 약화가 원인이 된다. 적어도 밀리그램 정도의 양이 연구될 수 있는(물리적 성질이 연구될 수 있는) 캘리포늄(Cf) 까지의 악티늄족 원소들 중에서, 토륨은 가장 높은 녹는점과 끓는점, 두번째로 낮은 밀도를 가진다. (악티늄이 이들 중 가장 밀도가 낮다.) 토륨의 끓는점은 4788 °C로 현재 끓는점이 알려진 원소들 중에서 5번째로 높은 값이다.
토륨의 측정되는 성질에는 샘플에 포함된 불순물의 정도가 영향을 미친다. 포함되어 있는 대표적인 불순물에는 이산화토륨이 있다. (ThO2) 가장 순수한 토륨 샘플도 대부분 토륨의 산화물을 10 % 정도 포함할 정도이다. 토륨의 실험적인 밀도는 11.5에서 11.66 g/cm3 사이의 값으로 측정되는데 이 값은 토륨의 격자 모수(lattice parameter)를 바탕으로 예측된 값인 11.7 g/cm3 보다 약간 작다. 아마도 이것은 토륨이 주조될 때 생성되는 미세한 빈 공간 때문일 것이다. 토륨의 밀도 값은 이웃한 원소인 악티늄(10.1 g/cm3) 과 프로트악티늄(15.4 g/cm3)의 밀도 값 사이에 위치하며, 초반 악티늄족 원소들의 주기적 성질을 나타낸다.
토륨은 많은 금속원소들과 합금을 형성할 수 있다. 적은 양의 토륨을 첨가하면 마그네슘(Mg)의 역학적 강도를 향상시킬 수 있다. 그리고 토륨-마그네슘 합금은 미래에 토륨을 원료로 작동하는 원자로에서 토륨을 저장할 수 있는 방법 중 하나로 생각되고 있다. 토륨은 크로뮴(Cr), 우라늄(U)과 함께 공융 혼합물(eutectic mixture)을 생성할 수 있으며 또 바로 위에 위치한 세륨(Ce)과 고체, 액체 상태일 때 잘 섞이는 성질이 있다.
은백색의 부드러운 금속으로, 매우 높은 전성을 지닌다. 결정 구조는 면심입방격자구조이며, 1400 ℃ 부근에서 체심입방격자구조로 전이한다. 또한, 융점과 비등점의 차이가 커서 액체 상태를 유지하는 온도 범위는 2946 ℃로 원소 중 가장 크다.
산화되기 쉽지만, 표면에 산화 피막이 형성되면 그 이상 진행되지 않는다. 공기 중에서 가열하면 백색광을 내며 격렬하게 연소하고, 분말은 상온에서 자연발화한다. 고온에서는 수소, 질소, 할로겐과 반응한다. 순도가 높으면 공기 중에서도 안정적이지만, 산화물과 혼합되면 산화가 촉진되어 회색에서 최종적으로는 검은색이 된다. 고순도 시료라도 약 0.1%의 산화물을 포함하고 있다.
물과 반응하여 수산화물을 생성하지만, 불용성이므로 불활성 상태가 되어 반응이 잘 진행되지 않는다. 염산, 왕수에는 녹지만, 질산에는 부동태 피막이 형성되어 녹지 않는다. 단, 진한 질산에 촉매로 소량의 플루오르화물이온을 첨가하면 부동태가 파괴되어 녹는다.[152] 알칼리 용액에는 불용성이다.
산화물은 대부분의 산에 잘 녹지 않는다.[153] 염(염산염, 질산염, 황산염)은 수용성이지만, 염기성으로 하면 불용성의 침전을 생성한다.
2. 1. 물리적 성질
토륨은 중간 정도 부드럽고, 상자성을 가지는 밝은 은색의 악티늄족 금속이다. 주기율표상으로 악티늄(Ac)의 오른쪽, 프로트악티늄(Pa)의 왼쪽, 세륨(Ce)의 아래쪽에 배열된다. 순수한 토륨은 연성이 좋다.[4] 토륨 금속은 실온에서 면심입방격자 구조를 가지며, 온도와 압력에 따라 다른 두 가지 결정 구조도 가질 수 있는데 1360 °C 이상에서는 체심입방격자, 100 GPa 정도의 압력에서는 정방정계 구조를 가진다.[3]토륨 금속은 54 GPa의 체적 탄성 계수를 가지는데, 이는 주석(Sn)의 경우인 58.2 GPa와 비슷한 값이다. 알루미늄은 75.2 GPa, 구리는 137.8 GPa, 그리고 연철(mild steel)의 경우는 160–169 GPa이다.[3] 토륨은 연철 정도의 단단함을 가지기 때문에 열을 가하면 시트, 판으로 만들거나 줄로 뽑아낼 수도 있다.[4]
토륨은 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)의 절반 정도의 밀도를 가지며 그 둘보다 단단하다.[4] 1.4 K 이하의 온도에서는 초전도체가 된다.[3] 토륨의 녹는점은 1750 °C로 악티늄(1227 °C)과 프로트악티늄(1568 °C)의 경우보다 높다. 7주기가 시작되는 부분, 즉 프랑슘(Fr)에서 토륨으로 갈수록 원소들의 녹는점은 증가하는데, 그 이유는 원자가 가진 비국소 전자의 개수가 많아지고(프랑슘은 1개, 토륨은 4개)금속에서 전자와 금속 이온 부분의 결합(금속 결합)이 더 강해진다는 것이다. 또 토륨에서 플루토늄까지 녹는점이 낮아지는 경향도 있는데, 이 두 원소 사이의 구간에서 5f 오비탈에 있는 전자 개수는 0.4에서 6으로 증가한다. 이 경향은 5f와 6d 오비탈의 혼성화가 증가하고 복잡한 결정 구조 안의 방향성 결합(directional bond) 형성으로 인한 금속결합의 약화가 원인이 된다.[4][5] 적어도 밀리그램 정도의 양이 연구될 수 있는(물리적 성질이 연구될 수 있는) 캘리포늄(Cf) 까지의 악티늄족 원소들 중에서, 토륨은 가장 높은 녹는점과 끓는점, 두번째로 낮은 밀도를 가진다. (악티늄이 이들 중 가장 밀도가 낮다.)[4] 토륨의 끓는점은 4788 °C로 현재 끓는점이 알려진 원소들 중에서 5번째로 높은 값이다.
토륨의 측정되는 성질에는 샘플에 포함된 불순물의 정도가 영향을 미친다. 포함되어 있는 대표적인 불순물에는 이산화토륨이 있다. (ThO2) 가장 순수한 토륨 샘플도 대부분 토륨의 산화물을 10 % 정도 포함할 정도이다.[3] 토륨의 실험적인 밀도는 11.5에서 11.66 g/cm3 사이의 값으로 측정되는데 이 값은 토륨의 격자 모수(lattice parameter)를 바탕으로 예측된 값인 11.7 g/cm3 보다 약간 작다. 아마도 이것은 토륨이 주조될 때 생성되는 미세한 빈 공간 때문일 것이다.[3] 토륨의 밀도 값은 이웃한 원소인 악티늄(10.1 g/cm3) 과 프로트악티늄(15.4 g/cm3)의 밀도 값 사이에 위치하며, 초반 악티늄족 원소들의 주기적 성질을 나타낸다.[3]
토륨은 많은 금속원소들과 합금을 형성할 수 있다. 적은 양의 토륨을 첨가하면 마그네슘(Mg)의 역학적 강도를 향상시킬 수 있다. 그리고 토륨-마그네슘 합금은 미래에 토륨을 원료로 작동하는 원자로에서 토륨을 저장할 수 있는 방법 중 하나로 생각되고 있다. 토륨은 크로뮴(Cr), 우라늄(U)과 함께 공융 혼합물(eutectic mixture)을 생성할 수 있으며 또 바로 위에 위치한 세륨(Ce)과 고체, 액체 상태일 때 잘 섞이는 성질이 있다.[3]
산화되기 쉽지만, 표면에 산화 피막이 형성되면 그 이상 진행되지 않는다. 공기 중에서 가열하면 백색광을 내며 격렬하게 연소하고, 분말은 상온에서 자연발화한다. 고온에서는 수소, 질소, 할로겐과 반응한다. 순도가 높으면 공기 중에서도 안정적이지만, 산화물과 혼합되면 산화가 촉진되어 회색에서 최종적으로는 검은색이 된다. 고순도 시료라도 약 0.1%의 산화물을 포함하고 있다.
물과 반응하여 수산화물을 생성하지만, 불용성이므로 불활성 상태가 되어 반응이 잘 진행되지 않는다. 염산, 왕수에는 녹지만, 질산에는 부동태 피막이 형성되어 녹지 않는다. 단, 진한 질산에 촉매로 소량의 플루오르화물이온을 첨가하면 부동태가 파괴되어 녹는다.[152] 알칼리 용액에는 불용성이다.
산화물은 대부분의 산에 잘 녹지 않는다.[153] 염(염산염, 질산염, 황산염)은 수용성이지만, 염기성으로 하면 불용성의 침전을 생성한다.
2. 2. 화학적 성질
토륨은 중간 정도 부드럽고, 상자성을 가지는 밝은 은색의 악티늄족 금속이다. 주기율표상으로 악티늄(Ac)의 오른쪽, 프로트악티늄(Pa)의 왼쪽에 위치한다.[39][31][32] 순수한 토륨은 연성이 좋다. 토륨 금속은 실온에서 면심입방격자 구조를 가지며, 1360 °C 이상에서는 체심입방격자, 100 GPa 정도의 압력에서는 정방정계 구조를 가진다.[153] 토륨 금속은 54 GPa의 체적 탄성 계수를 가지는데, 이는 주석(Sn)과 비슷하다. 토륨은 연철 정도의 단단함을 가지기 때문에 가공이 용이하다.토륨은 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)의 절반 정도의 밀도를 가지며 그 둘보다 단단하다. 1.4 K 이하의 온도에서는 초전도체가 된다. 토륨의 녹는점은 1750 °C이다. 7주기에서 프랑슘(Fr)에서 토륨으로 갈수록 원소들의 녹는점은 증가하는데, 이는 원자가 가진 비국소 전자의 개수가 많아지기 때문이다. 토륨에서 플루토늄까지 녹는점이 낮아지는 경향은 5f 오비탈에 있는 전자 개수 증가와 관련이 있다.[5] 캘리포늄(Cf) 까지의 악티늄족 원소들 중에서, 토륨은 가장 높은 녹는점과 끓는점을 가진다. 토륨의 끓는점은 4788 °C로 매우 높다.
토륨의 측정되는 성질에는 불순물의 정도가 영향을 미치는데, 대표적인 불순물에는 이산화토륨이 있다. 토륨의 실험적인 밀도는 11.5에서 11.66 g/cm3 사이의 값으로 측정된다. 토륨은 악티늄과 프로트악티늄의 중간정도의 밀도를 가진다. 토륨은 많은 금속원소들과 합금을 형성할 수 있다.
토륨 원자는 90개의 전자를 가지고 있으며, 그중 4개는 원자가전자이다. 토륨은 [Rn]6d27s2 전자 배열을 가진다. 초기 악티늄족 원소의 5f와 6d 부껍질은 에너지 준위가 매우 가깝다. 토륨의 5f, 6d, 7s 에너지 준위가 가까워 토륨은 거의 항상 네 개의 원자가전자를 모두 잃고 +4의 최고 산화 상태를 갖는다. 토륨은 전이 금속과 유사한 거동을 보인다.[39][31][32]

사중 양이온 토륨 화합물은 보통 무색 또는 황색이다. 이온에는 5f 또는 6d 전자가 없기 때문이다.[4] 토륨 화학은 안정된 비활성 기체 배열을 가진 단일 반자성 이온을 형성하는 전기 양성 금속의 화학이다.
토륨은 매우 반응성이 높고 전기 양성적인 금속이다. 미세하게 분쇄된 토륨 금속은 발화성을 나타내어 공기 중에서 자연 발화할 수 있다.[152] 공기 중에서 가열하면, 토륨은 눈부신 흰색 빛을 내며 연소하여 이산화토륨을 생성한다. 덩어리 상태에서는 순수 토륨의 공기와의 반응은 느리지만, 수개월 후에는 부식이 발생할 수 있다. 대부분의 토륨 시료는 이산화토륨으로 오염되어 있어 부식을 촉진한다.[153]
표준 온도 및 압력에서 토륨은 물에 의해 서서히 부식되지만, 염산을 제외한 대부분의 일반적인 산에는 잘 녹지 않는다. 염산에는 녹지만, 검은색 불용성 잔류물을 남긴다.[34] 소량의 촉매 플루오르화물 또는 플루오르규산염 이온이 포함된 진한 질산에 녹는다.[35] 이것들이 존재하지 않으면, 수동화가 발생할 수 있다.[36]

2. 3. 동위원소
비스무트(Bi)보다 원자번호가 작은 원소들은 프로메튬(Pm)과 테크네튬(Tc)을 제외하고 한 가지 이상의 안정한 동위원소를 갖는다. 폴로늄(Po) 이상의 원자 번호를 가진 원소들은 방사성 원소로 여겨진다. 232Th는 반감기가 수십억 년인 세 동위원소 중 하나로, 235U, 238U가 나머지 두 동위원소다.[6][7][8] 232Th의 반감기는 140.5억 년으로, 지구의 나이보다 약 3배 길고 우주의 나이보다 약간 더 길다.[6] 따라서 지구에는 지구가 형성될 때부터 있었던 토륨 중 4/5가 지금까지 남아있다. 232Th는 자연에 존재하는 유일한 토륨 동위원소이며,[6] 142개의 중성자를 가지는 닫힌 원자핵의 부분 껍질(nuclear subshell)에 의해 안정성이 나타난다.[9][10] 토륨은 지구에서 특유의 동위원소 조성을 가지며, 표준 원자량은 232.0377(4)이다. 토륨은 비스무트, 프로트악티늄, 우라늄과 함께 표준 원자량이 계산된 네 방사성 원소 중 하나다.토륨 원자핵은 강한 핵력이 큰 원자핵 안에서 양성자들 사이의 전자기적 반발력을 이겨낼 수 없기 때문에 알파 붕괴를 한다.[11] 232Th의 알파 붕괴는 질량수가 4의 배수인 동위원소들을 포함하는 4n 붕괴 계열(토륨 계열)을 시작시킨다. 이 알파 붕괴와 베타 붕괴의 연속은 232Th부터 228Ra를 거쳐 최종적으로 안정 동위원소인 208Pb에서 끝난다.[6] 토륨과 그 화합물 샘플은 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi), 폴로늄(Po), 라돈(Rn), 라듐(Ra), 악티늄(Ac)의 동위 원소들을 포함한다.[6] 그래서 자연적인 토륨 샘플을 화학적으로 분리하여 핵의학에서 암 치료에 사용되는[12][13] 212Pb와 같은 유용한 붕괴 산물을 얻기도 한다. 토륨 동위원소 227Th는 (18.68 일의 반감기를 가지며, 알파입자를 방출한다) 알파선원으로 암 치료에 사용될 수 있다.[14][15][16] 232Th는 알파 붕괴를 하지만 가끔 자발적으로 핵분열하며 광물 내부에 이 동위원소가 존재했다는 흔적을 남긴다. 하지만 이 과정의 반감기는 1021 년 이상이며 알파 붕괴하는 경우가 더 많다.[17]
토륨 동위원소는 모두 방사성 동위원소이며, 존재비 100.00%인 토륨-232를 비롯해 27종이 알려져 있다.
원자량은 210 u부터 236 u까지[156]이다.
총 32개의 방사성 동위원소가 알려져 있으며, 질량수는 207[18]에서 238까지이다. 232Th 다음으로 가장 안정적인 동위원소는 230Th (75,380년), 229Th (7,917년), 228Th (1.92년), 234Th (24.10일), 227Th (18.68일)이다. 이 동위원소들은 모두 232Th, 235U, 238U 및 237Np의 붕괴 사슬에 존재하기 때문에 미량 방사성 동위원소로서 자연계에 존재한다. 나머지 토륨 동위원소는 모두 30일 미만의 반감기를 가지며, 대부분은 10분 미만의 반감기를 가진다.
심해에서는 230Th 동위원소가 천연 토륨의 최대 0.02%를 차지한다. 이는 모핵종인 238U는 물에 용해되지만, 230Th는 불용성이어서 침전물로 침전되기 때문이다. 토륨 농도가 낮은 우라늄 광석을 정제하여 4분의 1 이상이 230Th 동위원소인 그램 크기의 토륨 샘플을 생산할 수 있다. 국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)은 2013년 토륨을 이핵종 원소로 재분류했다.
토륨에는 세 가지의 알려진 핵 이성질체(또는 준안정 상태)인 216m1Th, 216m2Th 및 229mTh가 있다. 229mTh는 알려진 이성질체 중 가장 낮은 여기 에너지를 가지고 있으며,[22] 7.6 eV로 측정되었다. 229Th에서 229mTh로의 핵 전이는 핵 시계에 대한 연구 대상이다.[24]
토륨의 다른 동위원소는 화학적으로 동일하지만 물리적 특성이 약간 다르다. 예를 들어, 순수한 228Th, 229Th, 230Th 및 232Th의 밀도는 각각 11.5, 11.6, 11.6 및 11.7 g/cm3으로 예상된다.[26] 229Th는 핵분열성 물질로 예상되지만, 강철 중성자 반사체를 사용하면 임계 질량을 낮출수 있다. 232Th는 핵분열성이 아니지만, 중성자 포획과 그 후의 베타 붕괴를 통해 핵분열성 우라늄-233(233U)으로 전환될 수 있기 때문에 생성성이다.
우라늄-토륨 연대 측정법과 이오늄-토륨 연대 측정법은 토륨 동위원소를 이용한 방사성 동위원소 연대 측정 방법이다.
3. 화합물
토륨은 비금속 원소와 반응하여 다양한 이원 화합물을 생성한다. 예를 들어, 공기 중에서 토륨은 연소하여 플루오라이트 구조의 이산화 토륨(ThO₂)을 형성한다.[37] 이산화토륨은 3390 °C의 매우 높은 녹는점을 가지는 내화물이다.[59] 또한 흡습성이 있어 물, 기체와 쉽게 반응하며, 플루오르화물이 존재하면 진한 질산에 용해된다.[59]
가열된 이산화토륨은 청색 빛을 방출하며, 이산화세륨(CeO₂)과 혼합하면 흰색 빛을 낸다. 이는 과거 가스 맨틀에 활용된 원리이다.[111] 1901년에는 뜨거운 벨스바흐 가스 맨틀(ThO₂와 1% CeO₂ 사용)이 차가운 가연성 가스와 공기 혼합물에 노출되어도 빛을 유지한다는 사실이 발견되었다.[111] 이산화토륨이 방출하는 빛은 백색광보다 파장이 길며, 이는 ThO₂:Ce가 자유 라디칼 재결합을 촉매하여 많은 에너지를 방출하는 캔들루미네선스 현상 때문이다.[111] 1%의 이산화세륨 첨가는 가시광선 영역 방출률을 증가시키지만, 세륨의 다양한 산화 상태는 불꽃 영역에 따라 다른 방출률을 유발한다.[111]
황, 셀레늄, 텔루륨과의 이원 화합물인 칼코겐화물 및 산화칼코겐화물도 알려져 있다.
토륨은 네 가지 사할로겐화물(ThF₄, ThCl₄, ThBr₄, ThI₄)을 형성하며, 이들은 모두 8배위 흡습성 화합물로 물과 같은 극성 용매에 잘 용해된다. 사플루오르화토륨(ThF₄)은 사플루오르화지르코늄(ZrF₄), 사플루오르화하프늄(HfF₄)과 유사한 사방정계 결정 구조를 가지며, Th⁴⁺ 이온은 왜곡된 정방반프리즘에서 F⁻ 이온과 배위된다. 다른 사할로겐화물은 십이면체 기하학을 갖는다. 저차 아이오딘화물 ThI₃(검정색)와 ThI₂(금색)는 사아이오딘화물을 토륨 금속으로 환원하여 얻을 수 있으며, Th⁴⁺를 포함하는 전자화물로 간주된다. 알칼리 금속, 바륨, 탈륨, 암모늄 등과 함께 다양한 다원 할로겐화물이 알려져 있다. 예를 들어, 플루오르화칼륨(KF), 플루오르화수소산(HF)과 반응하면 Th⁴⁺는 복합 음이온 [ThF₆]²⁻를 형성하여 불용성 염 K₂[ThF₆]로 침전된다.[35]
토륨 붕화물, 탄화물, 규화물, 질화물은 핵연료로 주목받는 내화물이다. 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi)와 이원 화합물을 형성하며, 토륨 게르마늄화물도 알려져 있다. 토륨은 수소와 반응하여 수소화물 ThH₂와 Th₄H₁₅를 형성하며, 후자는 7.5~8 K 이하에서 초전도성을 나타내고 표준 조건에서 금속처럼 전기를 전도한다. 수소화물은 열적으로 불안정하며 공기나 수분에 노출되면 분해된다.
산성 수용액에서 토륨은 삼각프리즘형 분자 구조를 갖는 수화 이온 [Th(H₂O)₉]⁴⁺로 존재한다.[38] pH < 3에서 토륨 염 용액은 이 양이온이 주를 이룬다. Th⁴⁺ 이온은 사양이온 악티늄족 이온 중 가장 크며, 배위수에 따라 0.95~1.14 Å 반지름을 갖는다. 높은 전하로 인해 강산성을 띠며, 주로 pH 3 이하에서 가수분해 및 중합 반응을 일으켜 [Th₂(OH)₂]⁶⁺ 등을 형성하고, 알칼리성 용액에서는 젤라틴상 수산화물 Th(OH)₄ 침전이 생성될 때까지 중합이 계속된다. 경성 루이스 산인 Th⁴⁺는 산소 원자 제공체 경성 리간드를 선호하며, 황 원자 제공체 착물은 불안정하여 가수분해되기 쉽다.[39]
토륨은 큰 크기로 인해 높은 배위수를 갖는 것이 일반적이다. 질산염 오수화물은 배위수 11, 옥살산염 사수화물은 배위수 10, 수소화붕소염은 배위수 14를 갖는다. 토륨 염은 물과 극성 유기 용매에 잘 녹는다.[4]
과염소산염(ClO₄⁻), 황산염(SO₄²⁻), 아황산염(SO₃²⁻), 질산염, 탄산염, 인산염(PO₄³⁻), 바나데이트(VO₄³⁻), 몰리브데이트(MoO₄²⁻), 크로메이트(CrO₄²⁻) 등 다원자 음이온을 포함하는 다양한 무기 토륨 화합물과 그 수화된 형태가 알려져 있으며, 토륨 정제 및 핵폐기물 처리에 중요하지만 구조적 특성은 대부분 규명되지 않았다. 토륨 질산염은 토륨 수산화물과 질산 반응으로 생성되며, 물과 알코올에 용해되고 토륨 및 화합물 정제에 중요한 중간체이다. 옥살산염, 시트르산염, EDTA 등 유기 리간드 포함 토륨 착물은 더 안정적이다. 천연 토륨 함유수에서 유기 토륨 착물 농도는 무기 착물보다 훨씬 높다.
2021년 1월, 토륨 양이온에 의해 안정화된 12개 비스무트 원자로 구성된 큰 금속 클러스터 음이온에서 방향족성이 관찰되었다.[40]
대부분의 유기토륨 화합물 연구는 사이클로펜타디에닐 착물과 사이클로옥타테트라에닐에 집중되었다. 토륨은 우라노센과 동질이성체인 노란색 사이클로옥타테트라에닐 착물 토로센(Th(C₈H₈)₂)을 형성한다. 토로센은 드라이아이스 온도에서 테트라히드로푸란(THF)에서 K₂C₈H₈과 사염화토륨을 반응시키거나, 사플루오르화토륨과 MgC₈H₈을 반응시켜 제조할 수 있다. 공기 중에서 불안정하며 물이나 190 °C에서 분해된다. 반샌드위치 화합물도 알려져 있으며, (η⁸-C₈H₈)ThCl₂(THF)₂ 등이 있다.[39]
가장 간단한 사이클로펜타디에닐은 Th(C₅H₅)₃과 Th(C₅H₅)₄이며, 많은 유도체가 알려져 있다. 전자는 +3 산화 상태 토륨의 희귀한 예시이다. 염화물 유도체 [Th(C₅H₅)₃Cl]는 사염화토륨을 KC₅H₅와 가열하여 제조한다. 알킬 및 아릴 유도체는 염화물 유도체로부터 제조되며 Th–C 시그마 결합 연구에 사용되었다.
테트라벤질토륨(Th(CH₂C₆H₅)₄) 및 테트라알릴토륨(Th(CH₂CH=CH₂)₄)이 알려져 있지만 구조는 결정되지 않았다. 이들은 실온에서 서서히 분해된다. 토륨은 헵타메틸토륨(IV) 음이온 [Th(CH₃)₇]³⁻을 형성하며, [Li(tmeda)]₃[Th(CH₃)₇] 염을 형성한다. 하나의 메틸기는 토륨 원자에만 부착되고(Th–C 거리 257.1 pm) 다른 여섯 개는 리튬과 토륨 원자를 연결하지만(Th–C 거리 265.5–276.5 pm), 용액에서는 동등하게 작용한다. 테트라메틸토륨(Th(CH₃)₄)은 알려져 있지 않지만, 포스핀 리간드에 의해 안정화된 첨가물이 알려져 있다.[39]
토륨 화합물은 +4 산화수에서 안정적이다.[155]
- 이산화 토륨(ThO₂)은 산화물 중 녹는점이 가장 높다(3300 °C).[154]
- 사플루오르화토륨(ThF₄)은 수화물(ThF₄·4H₂O)을 만든다.[155]
- 수산화토륨(Th(OH)₄)은 불용성이며, 양쪽성이 아니다.
- 질산토륨(Th(NO₃)₄)은 수화물(Th(NO₃)₄·4H₂O)을 만든다.[155]
- 탄산토륨(Th(CO₃)₂)도 알려져 있다.[155]
과산화물은 불용성 고체에 미량 존재하며, 이 성질을 이용하여 다른 이온과 혼합된 용액에서 토륨을 분리할 수 있다.[152] 인산염(PO₄³⁻) 이온 존재 하에 Th⁴⁺는 다양한 조성의 불용성 화합물을 만든다.[152] 플루오르화칼륨(KF)이나 플루오르화수소산(HF)과 섞으면 Th⁴⁺는 [ThF₆]²⁻ 착이온을 만들고 불용성 염 K₂ThF₆로 침전한다.[152]
4. 역사
1828년 스웨덴의 옌스 야코브 베르셀리우스가 토륨광(thorite, ThSiO4)에서 토륨을 발견했으며, 그 이름은 북유럽 신화의 뇌신 토르에서 유래했다.[151]
1815년, 스웨덴 화학자 옌스 야코브 베르셀리우스(Jöns Jacob Berzelius)는 팔룬(Falun)의 구리 광산에서 채취한 가돌리나이트(gadolinite) 샘플을 분석하던 중 미지의 원소의 산화물로 추정되는 흰색 광물을 발견했다. 베르셀리우스는 이미 세륨(cerium)과 셀레늄(selenium)을 발견했으나, 산화 아연(zinc oxide)으로 밝혀진 '가늄'(gahnium)을 발표하는 실수를 한 적이 있었다.[63] 1817년 베르셀리우스는 비공개적으로 가상의 원소에 토르(Thor)의 이름을 따서 "토륨"(thorium)이라는 이름을, 가상의 산화물에는 "토리나"(thorina)라는 이름을 붙였다.[61][62] 그러나 1824년 베스트아게르(Vest-Agder)에서 같은 광물이 더 발견되자, 그는 자신의 연구 결과를 철회했다. 그 광물은 대부분 인산 이트륨(yttrium orthophosphate)으로 구성된 크세노타임(xenotime)으로 밝혀졌기 때문이다.[63][64][65]
1828년, 모르텐 트라네 에스마르크(Morten Thrane Esmark)는 뢰뵈이아 섬(Løvøya)에서 검은 광물을 발견했다. 그는 광물학자였던 아버지 옌스 에스마르크(Jens Esmark)에게 표본을 보냈고, 옌스 에스마르크는 이것이 새로운 원소임을 확인하고 베르셀리우스에게 분석을 의뢰했다.[66] 베르셀리우스는 (플루오르화 칼륨 토륨(IV))를 칼륨 금속으로 환원시켜 불순한 시료를 분리한 후, 1829년 연구 결과를 발표했다.[69][67][68] 베르셀리우스는 이전에 추정했던 원소 발견의 이름을 재사용하여[69][70] 원소의 근원 광물을 토라이트(thorite)라고 명명했다.
베르셀리우스는 토륨과 그 화합물에 대한 초기 특성 분석을 수행하여 토륨 산화물의 토륨-산소 질량비가 7.5임을 정확하게 결정했다.[71] 금속 토륨은 1914년 네덜란드의 사업가 디르크 렐리 주니어(Dirk Lely Jr.)와 로데위크 함부르거(Lodewijk Hamburger)에 의해 처음으로 분리되었다.[72]
최초의 응용은 1885년 칼 아우어 폰 벨스바흐가 발명한 가스 맨틀이었다.[52] 이후 토륨과 그 화합물은 세라믹, 탄소 아크 램프, 내열 도가니, 암모니아를 질산으로 산화시키는 등의 산업 화학 반응 촉매 등 다양한 용도로 사용되었다.[52]
토륨의 방사성은 1898년 게르하르트 카를 슈미트(Gerhard Carl Schmidt)와 마리 퀴리(Marie Curie)에 의해 발견되었다.[76][77][78] 1899년부터 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)와 로버트 보위 오웬스(Robert Bowie Owens)는 토륨의 방사선을 연구했고, 이후 프레더릭 소디(Frederick Soddy)와 함께 토륨이 시간이 지남에 따라 다른 원소로 붕괴되는 과정을 밝혀 반감기를 확인하고 방사능의 붕괴 이론으로 이어졌다.[79][80] 1920년대에는 토륨의 방사능이 류머티즘, 당뇨병, 성기능 부전의 치료제로 홍보되기도 했으나, 1932년 연방 조사 이후 대부분 금지되었다.[82]
19세기 후반까지 화학자들은 토륨과 우라늄이 각각 4족 원소와 6족 원소의 가장 무거운 원소라는 데 의견을 같이했다. 1913년 닐스 보어는 원자 모형을 발표하며 7주기에도 f-껍질이 채워져야 함을 시사했다.[74] 초우라늄 원소들의 발견 이후 글렌 시보그(Glenn T. Seaborg)는 악티늄족 개념을 제안하며 토륨이 f-블록 악티늄족 원소 계열의 두 번째 원소임을 확인했다.[85]
1990년대에는 안전 및 환경 문제로 인해 토륨의 방사능에 의존하지 않는 대부분의 응용 분야가 감소했다.[52][88]
최초의 토륨 기반 원자로는 1962년 인디언 포인트 에너지 센터에 건설되었다.[92] 인도는 3단계 원자력 개발 계획을 통해 토륨 기반 원자력 발전을 추진해왔다.[94][95] 21세기 들어 토륨 연료주기에 대한 관심이 다시 높아졌으며,[99][100][101] 인도는 2050년까지 토륨 기반 원자력으로 전력 수요의 30%를 충당할 것으로 예상하고 있다. 2023년 중국은 TMSR-LF1의 운영을 허가했다.[102]
냉전 기간 동안 미국은 핵폭탄에 사용할 233U의 원천으로 232Th를 사용할 가능성을 모색했다.[105]
5. 존재
232Th는 원시 핵종으로, 현재의 형태로 100억 년 이상 존재해 왔으며, 초신성과 중성자별 합병에서 일어나는 r-과정에서 생성된 것으로 추정된다.[42][43] "r"은 "급속 중성자 포획"을 의미하며, 핵붕괴 초신성에서 56Fe과 같은 무거운 씨앗 핵이 빠르게 중성자를 포획하여 중성자 방울선에 이르게 되는 현상이다. 중성자 포획은 별이 철보다 무거운 원소를 합성하는 유일한 방법이며, 209Bi를 넘어서면 안정성이 급격히 떨어지기 때문에 r-과정은 토륨과 우라늄을 생성할 수 있는 유일한 항성 핵합성 과정이다.[42][45][46]
우주에서 토륨은 우주 존재량 순위 77위로[42][47] 원시 원소 중에서 가장 희귀한 원소 중 하나이다. 이는 토륨이 r-과정에서만 생성될 수 있는 두 원소 중 하나이며(다른 하나는 우라늄), 생성된 순간부터 서서히 붕괴되어 왔기 때문이다. 토륨보다 희귀한 원시 원소는 툴륨, 루테튬, 탄탈럼, 레늄뿐이다.[42][44] 먼 과거에는 플루토늄과 퀴륨 동위원소의 붕괴로 토륨과 우라늄의 존재량이 풍부해졌고, 236U가 232Th로 붕괴되고 235U가 자연적으로 고갈됨에 따라 토륨이 우라늄보다 풍부해졌지만, 이러한 공급원은 오래전에 붕괴되어 더 이상 기여하지 않는다.
지구 지각에서는 토륨이 훨씬 풍부하다. 존재량이 8.1 g/톤으로 무거운 원소 중 가장 풍부한 원소 중 하나이며, 납(13 g/톤)과 거의 비슷하고 주석(2.1 g/톤)보다 풍부하다.[48] 이는 토륨이 핵으로 가라앉지 않는 산화물 광물을 형성하기 쉽기 때문이다. 토륨은 친석 원소로 분류되며, 일반적인 토륨 화합물은 물에 대한 용해도가 낮다. 따라서 불휘발성 원소가 지구에서 태양계 전체와 같은 상대적인 존재량을 가지고 있더라도 지각에는 무거운 백금족 금속보다 접근 가능한 토륨이 더 많다.
자연 토륨은 대부분 순수한 232Th로 이루어져 있으며, 이는 토륨의 동위원소 중 가장 반감기가 길고 안정적인 동위원소로, 우주의 나이와 비슷한 반감기를 가집니다.[53] 토륨의 방사성 붕괴는 지구 내부 열의 가장 큰 원인이며, 현재 지구에는 지구 형성 당시 존재했던 토륨의 약 85%가 남아 있다.[59] 다른 자연 토륨 동위원소들은 반감기가 훨씬 짧다.
토륨은 대부분의 광물에서 미량 성분으로만 존재하며, 이 때문에 이전에는 희귀한 원소로 여겨졌다.[55] 자연계에서 토륨은 +4 산화 상태로 존재하며, 우라늄(IV), 지르코늄(IV), 하프늄(IV), 세륨(IV)과 함께, 그리고 스칸듐, 이트륨, 및 비슷한 이온 반지름을 가진 3가 란타넘족 원소와 함께 존재한다.[56] 토륨의 방사능 때문에 토륨을 함유한 광물은 종종 메타믹트(비정질) 상태이며, 토륨이 생성하는 알파선에 의해 결정 구조가 손상된다.[57]
모나자이트(주로 다양한 희토류 원소의 인산염)는 전 세계적으로, 특히 인도, 남아프리카 공화국, 브라질, 호주, 말레이시아에 대규모 매장량이 존재하기 때문에 토륨의 가장 중요한 상업적 공급원이다. 평균적으로 약 2.5%의 토륨을 함유하지만, 일부 매장지에는 최대 20%까지 함유될 수 있다.[56] 모나자이트는 노란색 또는 갈색 모래로 발견되는 화학적으로 비활성인 광물이며, 이러한 낮은 반응성으로 인해 토륨을 추출하기 어렵다.[56] 알라나이트(주로 다양한 금속의 규산염-수산화물)는 0.1~2%의 토륨을, 지르콘(주로 규산 지르코늄)은 최대 0.4%의 토륨을 함유할 수 있다.[56]
이산화 토륨은 희귀 광물인 토리아나이트로 존재한다. 이산화우라늄과 동질이상이기 때문에, 이 두 가지 일반적인 악티늄족 이산화물은 고체 용액을 형성할 수 있으며, 광물의 이름은 함량에 따라 달라진다.[56] 토라이트(주로 규산 토륨) 또한 높은 토륨 함량을 가지고 있으며, 토륨이 처음 발견된 광물이다.[56] 이산화토륨의 매우 낮은 용해도 때문에 토륨은 방출될 때 환경으로 빠르게 확산되지 않는다. 이온은 특히 산성 토양에서 용해되며, 이러한 조건에서는 토륨 농도가 더 높을 수 있다.[59]
6. 생산
토륨의 수요가 적어 토륨만을 채굴하는 광산 운영은 수익성이 없으며, 거의 항상 희토류와 함께 채굴되고, 희토류 자체는 다른 광물 생산의 부산물일 수 있다.[108] 현재 모나자이트에 대한 의존은 토륨이 대부분 부산물로 생산되기 때문이며, 토라이트와 같은 다른 광원에는 토륨이 더 많이 함유되어 있어 수요가 증가하면 쉽게 생산에 사용될 수 있다.[108] 수요가 적어 탐사 노력이 상대적으로 미미했기 때문에 토륨 자원 분포에 대한 현재 지식은 부족하다.[109] 2014년 토륨을 추출할 수 있는 모나자이트 농축액의 세계 생산량은 2,700톤이었다.[110]
2014년 토륨 매장량 하한 추정치 (톤)은 다음과 같다.[105]
국가 | 매장량 |
---|---|
인도 | 846,000 |
브라질 | 632,000 |
오스트레일리아 | 595,000 |
미국 | 595,000 |
이집트 | 380,000 |
튀르키예 | 374,000 |
베네수엘라 | 300,000 |
캐나다 | 172,000 |
러시아 | 155,000 |
남아프리카 공화국 | 148,000 |
중국 | 100,000 |
노르웨이 | 87,000 |
그린란드 | 86,000 |
핀란드 | 60,000 |
스웨덴 | 50,000 |
카자흐스탄 | 50,000 |
기타 국가들 | 1,725,000 |
세계 총계 | 6,355,000 |
토륨의 일반적인 생산 과정은 토륨 광물의 농축, 농축액에서 토륨의 추출, 토륨의 정제, 그리고 (선택적으로) 이산화토륨과 같은 화합물로의 전환으로 구성된다. 토륨 추출을 위한 토륨 광물은 원광과 이차광의 두 가지 범주로 나뉜다. 원광은 산성 화강암질 마그마와 페그마타이트에서 산출된다. 원광은 농도가 높지만 규모가 작다. 이차광은 화강암 산악 지대의 강 하구에서 발견된다. 이러한 광상에서는 토륨이 다른 중광물과 함께 농축되어 있다. 초기 농도는 광상의 유형에 따라 다르다.
원광의 경우, 일반적으로 광산 채굴을 통해 얻어지는 원광 페그마타이트를 작은 조각으로 나눈 다음 부상법을 거친다. 염산과의 반응 후 알칼리 토금속 탄산염을 제거할 수 있으며, 그 다음 농축, 여과 및 소성 과정을 거친다. 그 결과 희토류 함량이 최대 90%인 정광이 생성된다. 이차 광물(예: 해안 사구)은 중력 선별을 거친다. 그 후 강도가 점점 증가하는 자석을 이용한 자력 선별을 한다. 이 방법으로 얻은 모나자이트는 순도가 98%에 달할 수 있다.
20세기 산업 생산은 주철 용기에서 뜨겁고 농축된 황산을 사용하여 처리한 다음 물로 희석하여 선택적 침전을 시키는 방식에 의존했으며, 그 후속 단계도 마찬가지였다. 이 방법은 기술의 특징과 정광 입자 크기에 의존했으며, 많은 대안이 제시되었지만 경제적으로 효과적인 것으로 입증된 것은 하나뿐이다. 바로 뜨거운 수산화나트륨 용액을 이용한 알칼리 분해법이다. 이 방법은 기존 방법보다 비용이 더 많이 들지만 토륨의 순도가 더 높으며, 특히 정광에서 인산염을 제거한다.
산 분해는 최대 93%의 황산을 210~230 °C에서 사용하는 두 단계 과정이다. 첫째, 모래 질량의 60%를 초과하는 황산을 첨가하여 생성물이 형성됨에 따라 반응 혼합물을 농축시킨다. 그런 다음 발연 황산을 첨가하고 혼합물을 5시간 동안 같은 온도로 유지하여 희석 후 남은 용액의 부피를 줄인다. 황산의 농도는 반응 속도와 점도에 따라 선택되는데, 둘 다 농도가 증가함에 따라 증가하지만 점도는 반응을 지연시킨다. 온도를 높이면 반응 속도도 빨라지지만, 불용성 토륨 피로인산염이 형성되므로 300 °C 이상의 온도는 피해야 한다. 용해는 매우 발열 반응이므로 모나자이트 모래를 산에 너무 빨리 첨가할 수 없다. 반대로, 200 °C 미만의 온도에서는 반응 속도가 충분히 빠르지 않아 실용적인 공정이 되지 않는다. 반응성 모나자이트 표면을 차단하는 침전물이 형성되지 않도록 하려면, 화학량론적으로 예상되는 60% 대신 모래 질량의 두 배에 해당하는 산 질량을 사용해야 한다. 그런 다음 혼합물을 70 °C로 냉각하고 그 부피의 10배에 해당하는 찬물로 희석하여 남아 있는 모나자이트는 바닥에 가라앉고 희토류와 토륨은 용액에 남도록 한다. 그런 다음 pH 1.3에서 인산염으로 침전시켜 토륨을 분리할 수 있는데, 희토류는 pH 2까지는 침전되지 않기 때문이다.
알칼리 분해는 약 140 °C에서 30~45% 수산화나트륨(sodium hydroxide) 용액으로 약 3시간 동안 수행된다. 온도가 너무 높으면 용해도가 낮은 토륨 산화물이 생성되고 여과액에 우라늄이 과량으로 남게 되며, 알칼리 농도가 너무 낮으면 반응 속도가 매우 느려진다. 이러한 반응 조건은 다소 온화하며, 입자 크기가 45 μm 미만인 모나자이트 모래를 필요로 한다. 여과 후 여과 케이크에는 수산화물 형태의 토륨과 희토류 원소, 디우라네이트나트륨(sodium diuranate) 형태의 우라늄, 인산삼나트륨(trisodium phosphate) 형태의 인산염이 포함된다. 60 °C 이하로 냉각되면 인산삼나트륨 십수화물이 결정화된다. 이 생성물의 우라늄 불순물은 반응 혼합물의 이산화규소(silicon dioxide) 양에 따라 증가하므로, 상업적 사용 전에 재결정화가 필요하다. 수산화물은 80 °C에서 37% 염산(hydrochloric acid)에 용해된다. 남은 침전물을 여과한 후 47% 수산화나트륨을 첨가하면 pH 약 5.8에서 토륨과 우라늄이 침전된다. 공기가 세륨을 +3 산화 상태에서 +4 산화 상태로 산화시킬 수 있고, 생성된 세륨(IV)이 염산으로부터 유리 염소(chlorine)를 방출할 수 있으므로, 침전물을 완전히 건조시켜서는 안 된다. 희토류 원소는 더 높은 pH에서 다시 침전된다. 희토류 인산염의 침전을 피하기 위해 대부분의 인산염을 먼저 제거해야 하지만, 침전물은 원래의 수산화나트륨 용액으로 중화된다. 생성된 여과 케이크를 질산에 용해하여 용매 추출(solvent extraction)을 사용하여 토륨과 우라늄을 분리할 수도 있다. 타이타늄(titanium) 수산화물(titanium hydroxide)의 존재는 토륨을 결합하여 완전히 용해되는 것을 방지하기 때문에 해롭다.
핵 응용 분야에서는 높은 토륨 농도가 필요하다. 특히, 중성자 포획 단면적이 큰 원자의 농도는 매우 낮아야 한다(예를 들어, 가돌리늄 농도는 중량비로 백만분의 일 미만이어야 함). 이전에는 높은 순도를 얻기 위해 반복적인 용해 및 재결정화가 사용되었다. 오늘날에는 Th(4+)영어의 선택적 착화를 포함하는 액체 용매 추출 절차가 사용된다. 예를 들어, 알칼리 분해 및 인산염 제거 후, 토륨, 우라늄 및 희토류의 생성된 질산염 착물은 케로신 속 트리부틸 포스페이트를 사용한 추출에 의해 분리될 수 있다.
7. 현대적 응용
토륨의 방사능과는 무관한 용도는 1950년대 이후 토륨과 그 붕괴 생성물의 방사능으로 인한 환경적 우려로 인해 감소해 왔다.[88] 대부분의 토륨 응용 분야에서는 금속 토륨이 아닌 이산화토륨(산업계에서는 "토리아"라고도 함)을 사용하는데, 이 화합물은 3300 °C의 녹는점을 가지고 있으며, 이는 모든 알려진 산화물 중 가장 높은 값이다.[59] 이러한 특성 덕분에 화염 속에서도 고체 상태를 유지하며, 화염의 밝기를 상당히 증가시켜 가스 램프 맨틀에 사용되는 주된 이유이다.[111] 모든 물질은 고온에서 에너지를 방출하지만, 토륨이 방출하는 빛은 거의 모두 가시광선 스펙트럼에 속하기 때문에 토륨 맨틀이 밝게 빛난다.[111] 토륨은 음극선, 열 또는 자외선과 같은 에너지원에 노출될 때 가시광선 형태의 에너지를 방출한다. 맨틀에 사용되는 토륨은 1990년대 후반부터 이트륨으로 점진적으로 대체되어 왔다.[112] 영국 국립 방사선 방호위원회(National Radiological Protection Board)의 2005년 보고서에 따르면, "몇 년 전만 해도 [토륨 첨가 가스 맨틀]이 널리 사용되었지만, 이제는 그렇지 않다"고 한다.[113]
백열등 필라멘트 생산 과정에서, 필라멘트를 제조하기 전에 텅스텐 소결 분말에 소량의 토륨 이산화물을 첨가하면 텅스텐의 재결정이 상당히 감소한다. 텅스텐 열음극에 소량의 토륨을 첨가하면 전자의 일함수가 상당히 감소하여, 더 낮은 온도에서 전자가 방출된다.[115] 1920년대 이후로 토륨 첨가 텅스텐 와이어는 전자관과 X선관 및 정류기의 음극과 반음극에 사용되어 왔다. 1950년대 트랜지스터의 도입으로 이러한 용도는 상당히 줄었지만, 완전히 사라진 것은 아니다. 토륨 이산화물은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에서 텅스텐 전극의 고온 강도를 높이고 아크 안정성을 향상시키는 데 사용된다.[117][118]
토륨 이산화물은 고온 실험실 도가니와 같은 내화성 세라믹에 주성분 또는 이산화지르코늄 첨가제로 사용된다.[117][118] 90% 백금과 10% 토륨의 합금은 암모니아를 질소 산화물로 산화시키는 효과적인 촉매이지만, 더 나은 기계적 특성과 내구성 때문에 95% 백금과 5% 로듐 합금으로 대체되었다.
유리에 첨가하면 토륨 이산화물은 굴절률을 높이고 분산을 감소시키는 데 도움이 된다. 이러한 유리는 카메라와 과학 기기의 고품질 렌즈에 사용된다.[34] 이러한 렌즈에서 나오는 방사선은 몇 년 동안 렌즈를 어둡게 하고 황색으로 변하게 할 수 있으며 필름을 손상시키지만, 건강 위험은 최소화된다.[119] 황변된 렌즈는 강렬한 자외선에 오랫동안 노출시켜 원래의 무색 상태로 복원할 수 있다. 토륨 이산화물은 란타넘과 같은 희토류 산화물로 대체되었다.
사중플루오르화토륨은 다층 광학 코팅의 반사 방지 재료로 사용된다. 0.350~12 μm 범위의 파장을 가진 전자기파(근자외선, 가시광선 및 중적외선 포함)에 대해 투명하다. 방사선은 주로 알파 입자로 인한 것이며, 다른 물질의 얇은 덮개층으로 쉽게 차단할 수 있다.[120] 2010년대부터 삼플루오르화란타넘을 포함한 사중플루오르화토륨의 대체 물질이 개발되고 있다.[121]
Mag-Thor 합금(토륨 첨가 마그네슘이라고도 함)은 일부 항공 우주 응용 분야에 사용되었지만, 방사능에 대한 우려로 인해 단계적으로 사용이 중단되었다.
과거에는 직열형 진공관의 필라멘트 표면에 도포되어 열전자 방출을 촉진하거나,[158] 고굴절률렌즈의 재료, X선 혈관조영제, 도가니, 아크 용접전극, 가스등의 가스 맨틀, 합금 재료, 촉매 등으로 사용되었다. 제2차 세계 대전 이후 미국에서 토륨 연료 사이클[159]이 연구되었고, 현재는 인도의 토륨로에서 이용되고 있다. 천문학에서는 초신성 폭발 시의 원소 합성 모델 추정을 위해 스펙트럼 관측에 사용된다.[160]
8. 핵에너지 이용 가능성
원자로에서 주요 핵에너지원은 중성자 유발 핵분열이다. 합성 핵분열성 핵종인 233U영어와 239Pu영어는 천연 핵종인 232Th영어와 238U영어가 중성자 포획을 통해 증식될 수 있다. 235U영어는 상당량이 천연적으로 존재하며 핵분열성이기도 하다.[122][123] 토륨 연료 순환에서, 다산성 동위원소인 232Th영어는 열중성자에 의해 충격을 받아 중성자 포획을 거쳐 233Th영어가 되고, 이는 두 번의 연속적인 베타 붕괴를 거쳐 먼저 233Pa영어이 된 다음 핵분열성 233U영어가 된다.
:
토륨 연료 순환에서의 변환 | ||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
colspan="14"| | 237Np | |||||||||||||
colspan="14"| | ↑ | |||||||||||||
| | 231U | ← | 232U | ↔ | 233U | ↔ | 234U | ↔ | 235U | ↔ | 236U | → | 237U | |
↓ | ↑ | ↑ | ↑ | |||||||||||
| | 231Pa | → | 232Pa | ← | 233Pa | → | 234Pa | |||||||
↑ | ↑ | |||||||||||||
230Th | → | 231Th | ← | 232Th | → | 233Th | ||||||||
colspan="15" style="text-align:left; font-size:small;"| |
233U영어는 핵분열성이며 235U영어 또는 239Pu영어와 같은 방식으로 원자력 연료로 사용될 수 있다. 233U영어가 핵분열을 일으키면 방출된 중성자는 다른 232Th영어 핵종에 충돌하여 순환을 계속한다. 이는 고속 증식로에서 238U영어가 중성자 포획을 통해 239U영어가 되고, 베타 붕괴를 통해 먼저 239Np영어가 된 다음 핵분열성 239Pu영어가 되는 우라늄 연료 순환과 유사하다.[124]
의 핵분열은 평균 2.48개의 중성자를 생성한다.[125] 핵분열 반응을 지속하려면 중성자 하나가 필요하다. 자체적으로 지속되는 연속적인 증식 순환을 위해서는 다산성 에서 새로운 원자를 증식하는 데 중성자 하나가 더 필요하다. 이는 손실을 위해 0.45개의 중성자(또는 중성자속의 18%)의 여유를 남긴다.
8. 1. 토륨 연료 사이클
토륨은 제2차 세계 대전 이후 미국에서 토륨 연료 사이클[159]로 주목받고 연구되었다. 현재는 인도의 토륨로에서 이용되고 있다.[159]8. 2. 장점
토륨은 우라늄보다 풍부하며, 더 오랫동안 세계 에너지 수요를 충족할 수 있다. 특히 용융염원자로의 핵분열성 물질로 사용하기에 적합하다.토륨-232(232Th)는 우라늄-238(238U)보다 중성자를 더 잘 흡수하며, 토륨-232가 중성자 포획을 통해 생성되는 우라늄-233(233U)는 중성자 포획 시 핵분열 확률(92.0%)이 우라늄-235(235U)(85.5%) 또는 플루토늄-239(239Pu)(73.5%)보다 높다.[126] 또한 평균적으로 핵분열 시 더 많은 중성자를 방출한다. 토륨-232는 5번의 중성자 포획 후에야 장수명 초우라늄 원소인 넵투늄-237(237Np)을 형성하는데, 중간 생성물인 233U 또는 235U가 핵분열하기 때문에 232Th 핵의 98~99%는 이러한 다중 포획이 일어나지 않아 장수명 초우라늄 원소의 생성이 적다. 이 때문에 토륨은 초우라늄 원소의 생성을 최소화하고 플루토늄의 파괴를 극대화하기 위해 혼합산화물 연료에서 우라늄의 매력적인 대안이 될 수 있다.[127]
토륨 연료(이산화토륨)는 이산화우라늄보다 더 높은 녹는점, 더 높은 열전도율 및 더 낮은 열팽창 계수를 가지므로 더 안전하고 성능이 우수한 원자로 노심을 만든다. 또한 이산화우라늄보다 화학적으로 더 안정적이다. 이산화우라늄은 팔산화삼우라늄(U3O8)으로 산화되어 밀도가 상당히 낮아지기 때문이다.[128]
그 외에 토륨의 장점은 다음과 같다:
- 직열형 진공관: 일함수를 낮춰 열전자 방출을 촉진하기 위해 필라멘트 표면에 도포되었다.
- 고굴절률렌즈: 산화토륨을 10~30% 정도 함유하는 초저분산 광학유리로 만들어졌다.
- X선 혈관조영제: 토로트라스트(이산화토륨의 콜로이드 제제)가 사용되었으나, 간에 침착하여 간종양의 원인이 되었다.
- 도가니: 이산화토륨이 고융점 산화물이어서 고온에서도 안정적이므로 사용되었다.
- 아크 용접전극: 점화성이 좋은 TIG 용접용으로 산화토륨 또는 텅스텐 합금이 사용된다.
- 가스등의 가스 맨틀: 질산토륨을 함침시킨 섬유를 회화한 발광체이다.
- 합금 재료: 내열 마그네슘 합금이나 텅스텐과의 합금이 사용되었다.
- 촉매: 불포화 탄화수소의 수소화 반응에 사용된다.
- 핵연료: 인도의 토륨로에서 이용되고 있다.
- 천문학: 초신성 폭발 시의 원소 합성 모델 추정을 위해 스펙트럼 관측에 사용된다.[160]
8. 3. 단점
Thorium영어은 사용 후 핵연료 재처리가 어렵고 위험하다는 단점이 있다. 232Th과 233U의 붕괴 생성물은 강력한 감마선을 방출하기 때문이다. 모든 233U 생산 방법은 232U 불순물을 생성하는데, 이는 232Th, 233Pa 또는 233U에서 기생적인 (n,2n) 반응에 의한 중성자 손실이나 천연 232Th의 불순물인 230Th의 이중 중성자 포획에 의한 것이다.[129] 232U 자체는 해롭지 않지만, 붕괴 과정에서 강력한 감마선 방출체인 208Tl을 빠르게 생성한다. 이러한 232U 불순물은 233U를 취급하기 위험하게 만들고, 분리의 비실용성은 233U를 핵분열 물질로 사용하는 핵확산의 가능성을 제한한다.[129]233Pa는 27일의 비교적 긴 반감기와 높은 핵단면적을 가지고 있어 중성자 독으로 작용한다. 233Pa가 234U로 전환되면 중성자를 소비하여 원자로 효율을 저하시킨다. 이를 피하기 위해 토륨 용융염 원자로에서는 작동 중 233Pa를 추출하여 233U로만 붕괴되도록 한다.[130]232Th를 중성자로 조사하고 처리하는 과정은 우라늄 및 플루토늄 연료주기보다 더 발전된 기술을 필요로 한다. 토륨 연료주기의 낮은 상업적 실행 가능성도 문제점으로 지적되며,[131][132][133] 국제 원자력기구는 우라늄이 풍부한 한 토륨 주기는 상업적으로 실행 가능성이 낮을 것으로 예측한다.[134] 토륨 연료주기에서 생성되는 동위원소 중 231Pa는 32,760년의 반감기를 가지며 사용 후 핵연료의 장기적인 방사선 독성에 기여한다.[130]이 밖에 토륨은 과거에 다양한 용도로 사용되었으나, 방사능 문제 등으로 인해 현재는 사용이 제한되거나 다른 물질로 대체되었다.
- 직열형 진공관의 필라멘트 표면에 도포되어 열전자 방출을 촉진하는 데 사용되었다.
- 1950~1970년대에는 산화토륨을 함유한 초저분산 광학유리로 만들어진 토륨 렌즈가 판매되었으나, 붕괴생성물방사선에 대한 우려로 란타노이드로 대체되었다.[158]
- 제2차 세계 대전 전후에는 토로트라스트라는 이산화토륨 콜로이드 제제가 X선 혈관조영제로 사용되었으나, 간에 침착되어 간종양을 유발하는 문제점이 발견되었다.
- 이산화토륨은 고융점 산화물이므로 고온에서도 안정적이어서 도가니로 사용되었다.
- TIG 용접용 전극으로 산화토륨 또는 텅스텐 합금이 사용된다.
- 과거 백열 가스등이나 랜턴의 맨틀로 질산토륨을 함침시킨 섬유가 사용되었다.
- 내열 마그네슘 합금이나 텅스텐과의 합금 형태로 필라멘트, 아크 용접봉으로 사용되었다.
- 불포화 탄화수소의 수소화 반응 촉매로 사용된다.
9. 위험성 및 건강 영향
분말 상태의 토륨은 자연 발화성이므로 주의해서 다루어야 하는 금속이다. 토륨은 반감기가 긴 알파선 방출체이며, 외부 피폭보다 내부 피폭의 위험이 더 크다. 체내에 들어가면 폐, 췌장, 간에 대한 발암 위험이 있다. 국제암연구기관(IARC)은 토륨-232 및 그 붕괴 생성물을 "인간에게 발암성이 있다"고 Group 1로 분류하고 있다.
==== 방사능 ====
천연 토륨은 다른 많은 방사성 물질에 비해 매우 느리게 붕괴되며, 방출되는 알파선은 사람의 피부를 투과할 수 없다. 그 결과, 가스 맨틀에 있는 것과 같이 소량의 토륨을 취급하는 것은 안전하다고 간주되지만, 이러한 물품의 사용은 일부 위험을 초래할 수 있다.[135] 오염된 먼지와 같은 토륨 에어로졸에 노출되면 폐, 췌장, 혈액의 암 위험이 증가할 수 있다. 폐 및 기타 내부 장기는 알파선을 투과할 수 있기 때문이다.[135] 토륨의 내부 노출은 간 질환의 위험을 증가시킨다.[139]232Th의 붕괴 생성물에는 라듐과 라돈과 같은 더 위험한 방사성 핵종이 포함되어 있다. 토륨의 느린 붕괴 결과로 생성되는 이러한 생성물의 양은 비교적 적지만, 232Th의 방사선 독성을 제대로 평가하려면 일부가 위험한 감마선 방출체인 붕괴 생성물의 기여를 포함해야 한다.[136] 토륨의 위험한 붕괴 생성물은 이산화 토륨보다 훨씬 낮은 녹는점을 가지고 있으므로 맨틀이 사용을 위해 가열될 때마다 기화된다. 사용 후 첫 시간 동안 224Ra, 228Ra, 212Pb 및 212Bi와 같은 토륨 붕괴 생성물의 상당 부분이 방출된다.[137] 일반 사용자의 방사선량 대부분은 라듐 흡입으로 인해 발생하며, 사용당 최대 0.2 밀리시버트의 방사선량을 나타내는데, 이는 유방촬영 시 받는 방사선량의 약 3분의 1에 해당한다.[138]
일부 원자력 안전 기관은 토륨 맨틀 사용에 대한 권고를 하고 제조 및 폐기에 대한 안전 우려를 제기했다. 하나의 맨틀에서 나오는 방사선량은 심각한 문제가 아니지만, 공장이나 매립지에 모인 많은 맨틀에서 나오는 방사선량은 심각한 문제이다.[139]
==== 생물학적 영향 ====
토륨은 무취 무미이다.[140] 토륨과 그 가장 일반적인 화합물(주로 이산화 토륨)은 물에 잘 녹지 않기 때문에[141] 화학적 독성은 낮다.[140] 그러나 시트르산염과 같이 토륨을 체내로 용해 가능한 형태로 운반하는 강한 착화제 이온이 존재하는 경우 일부 토륨 화합물은 화학적으로 중등도의 독성을 나타낸다.[140] 체내로 유입된 토륨의 4분의 3은 골격에 축적된다.[135] 피부를 통한 흡수는 가능하지만, 노출 경로로서는 가능성이 낮다.[135]
모나자이트 처리에 종사하는 근로자들의 토륨 흡수량에 대한 검사 결과, 체내 토륨 수치가 권장치를 초과했지만, 그러한 중등도의 낮은 농도에서는 건강에 악영향이 발견되지 않았다. 토륨 화합물을 취급하는 사람들은 피부염 위험에 처해 있으며, 토륨 섭취 후 증상이 나타나기까지 30년이 걸릴 수 있다.[59] 토륨은 알려진 생물학적 역할이 없다.[59]
==== 화학적 위험 ====
토륨 금속 분말은 공기 중에서 자연 발화하는 인화성 물질이다.[142] 1964년, 미합중국 내무부는 "금속 분말의 발화 및 폭발성" 표에서 토륨을 "심각함"으로 분류했다. 먼지 구름의 경우 발화 온도는 270 °C, 층의 경우 280 °C로 기록되었다. 최소 폭발 농도는 0.075 kg/m3이며, 먼지의 최소 발화 에너지는 5 mJ(밀리줄)이다.[142]
1956년, 미국 뉴욕시에서 토륨 슬러지를 재처리하고 연소하는 과정에서 실바니아 전기 제품 폭발 사고가 발생했다. 이 사고로 9명이 부상을 입었고, 그 중 1명은 3도 화상으로 인한 합병증으로 사망했다.[143][144][145]
==== 노출 경로 ====
평균적인 사람은 약 40 마이크로그램(μg)의 토륨을 함유하고 있으며, 일반적으로 하루에 3 마이크로그램을 섭취한다.[59] 대부분의 토륨 노출은 먼지 흡입을 통해 발생하며, 일부 토륨은 음식과 물을 통해 섭취되지만, 용해도가 낮기 때문에 이러한 노출은 무시할 만하다.[59]
토륨 광상이나 방사성 폐기물 처리장 근처에 거주하거나, 우라늄, 인산염 또는 주석 가공 공장 근처에 거주하거나 근무하는 사람들, 그리고 가스 맨틀 생산에 종사하는 사람들의 노출 수준은 높아진다.[146] 토륨은 특히 인도 타밀나두 해안 지역에 흔하며, 이 지역 주민들은 전 세계 평균보다 10배 높은 자연 방사선량에 노출될 수 있다.[147] 또한 브라질 북부 해안 지역, 바이아 남부에서 방사성 모나자이트 모래 해변이 있는 과라파리시까지 흔하며, 이 지역의 방사선 수치는 세계 평균 배경 방사선의 최대 50배에 달한다.[148]
일부 미사일의 유도 시스템에 토륨이 사용되기 때문에 무기 시험장에서 발생하는 토륨 먼지도 노출 가능성이 있다. 이는 이탈리아 사르데냐 섬의 살토 디 키라에서 높은 출생 결함 및 암 발생률의 원인으로 지목되었다.[149]
9. 1. 방사능
천연 토륨은 다른 많은 방사성 물질에 비해 매우 느리게 붕괴되며, 방출되는 알파선은 사람의 피부를 투과할 수 없다. 그 결과, 가스 맨틀에 있는 것과 같이 소량의 토륨을 취급하는 것은 안전하다고 간주되지만, 이러한 물품의 사용은 일부 위험을 초래할 수 있다.[135] 오염된 먼지와 같은 토륨 에어로졸에 노출되면 폐, 췌장, 혈액의 암 위험이 증가할 수 있다. 폐 및 기타 내부 장기는 알파선을 투과할 수 있기 때문이다.[135] 토륨의 내부 노출은 간 질환의 위험을 증가시킨다.[139]232Th의 붕괴 생성물에는 라듐과 라돈과 같은 더 위험한 방사성 핵종이 포함되어 있다. 토륨의 느린 붕괴 결과로 생성되는 이러한 생성물의 양은 비교적 적지만, 232Th의 방사선 독성을 제대로 평가하려면 일부가 위험한 감마선 방출체인 붕괴 생성물의 기여를 포함해야 한다.[136] 토륨의 위험한 붕괴 생성물은 이산화 토륨보다 훨씬 낮은 녹는점을 가지고 있으므로 맨틀이 사용을 위해 가열될 때마다 기화된다. 사용 후 첫 시간 동안 224Ra, 228Ra, 212Pb 및 212Bi와 같은 토륨 붕괴 생성물의 상당 부분이 방출된다.[137] 일반 사용자의 방사선량 대부분은 라듐 흡입으로 인해 발생하며, 사용당 최대 0.2 밀리시버트의 방사선량을 나타내는데, 이는 유방촬영 시 받는 방사선량의 약 3분의 1에 해당한다.[138]일부 원자력 안전 기관은 토륨 맨틀 사용에 대한 권고를 하고 제조 및 폐기에 대한 안전 우려를 제기했다. 하나의 맨틀에서 나오는 방사선량은 심각한 문제가 아니지만, 공장이나 매립지에 모인 많은 맨틀에서 나오는 방사선량은 심각한 문제이다.[139]
분말 상태의 토륨은 자연 발화성이므로 주의해서 다루어야 하는 금속이다. 토륨은 반감기가 긴 알파선 방출체이며, 외부 피폭보다 내부 피폭의 위험이 더 크다. 체내에 들어가면 폐, 췌장, 간에 대한 발암 위험이 있다. 국제암연구기관(IARC)은 토륨-232 및 그 붕괴 생성물을 "인간에게 발암성이 있다"고 Group 1로 분류하고 있다.
9. 2. 생물학적 영향
토륨은 무취 무미이다.[140] 토륨과 그 가장 일반적인 화합물(주로 이산화 토륨)은 물에 잘 녹지 않기 때문에[141] 화학적 독성은 낮다.[140] 그러나 시트르산염과 같이 토륨을 체내로 용해 가능한 형태로 운반하는 강한 착화제 이온이 존재하는 경우 일부 토륨 화합물은 화학적으로 중등도의 독성을 나타낸다.[140] 체내로 유입된 토륨의 4분의 3은 골격에 축적된다.[135] 피부를 통한 흡수는 가능하지만, 노출 경로로서는 가능성이 낮다.[135]모나자이트 처리에 종사하는 근로자들의 토륨 흡수량에 대한 검사 결과, 체내 토륨 수치가 권장치를 초과했지만, 그러한 중등도의 낮은 농도에서는 건강에 악영향이 발견되지 않았다. 토륨 화합물을 취급하는 사람들은 피부염 위험에 처해 있으며, 토륨 섭취 후 증상이 나타나기까지 30년이 걸릴 수 있다.[59] 토륨은 알려진 생물학적 역할이 없다.[59]
토륨은 반감기가 긴 알파선 방출체이며, 외부 피폭보다 내부 피폭의 위험이 더 크다. 체내에 들어가면 폐, 췌장, 간에 대한 발암 위험이 있다. 국제 암 연구 기관(IARC)은 토륨-232 및 그 붕괴 생성물을 "인간에게 발암성이 있다"고 Group 1로 분류하고 있다.
9. 3. 화학적 위험
토륨 금속 분말은 공기 중에서 자연 발화하는 인화성 물질이다.[142] 1964년, 미합중국 내무부는 "금속 분말의 발화 및 폭발성" 표에서 토륨을 "심각함"으로 분류했다. 먼지 구름의 경우 발화 온도는 270 °C, 층의 경우 280 °C로 기록되었다. 최소 폭발 농도는 0.075 kg/m3이며, 먼지의 최소 발화 에너지는 5 mJ(밀리줄)이다.[142]1956년, 미국 뉴욕시에서 토륨 슬러지를 재처리하고 연소하는 과정에서 실바니아 전기 제품 폭발 사고가 발생했다. 이 사고로 9명이 부상을 입었고, 그 중 1명은 3도 화상으로 인한 합병증으로 사망했다.[143][144][145] 분말 상태의 토륨은 자연 발화성이 있으므로 주의해서 다루어야 한다.
토륨은 반감기가 긴 알파선 방출체이며, 외부 피폭보다 내부 피폭의 위험이 더 크다. 체내에 들어가면 폐, 췌장, 간에 대한 발암 위험이 있다. 국제암연구기관(IARC)은 토륨-232 및 그 붕괴 생성물을 "인간에게 발암성이 있다"고 Group 1로 분류하고 있다.
9. 4. 노출 경로
평균적인 사람은 약 40 마이크로그램(μg)의 토륨을 함유하고 있으며, 일반적으로 하루에 3 마이크로그램을 섭취한다.[59] 대부분의 토륨 노출은 먼지 흡입을 통해 발생하며, 일부 토륨은 음식과 물을 통해 섭취되지만, 용해도가 낮기 때문에 이러한 노출은 무시할 만하다.[59]토륨 광상이나 방사성 폐기물 처리장 근처에 거주하거나, 우라늄, 인산염 또는 주석 가공 공장 근처에 거주하거나 근무하는 사람들, 그리고 가스 맨틀 생산에 종사하는 사람들의 노출 수준은 높아진다.[146] 토륨은 특히 인도 타밀나두 해안 지역에 흔하며, 이 지역 주민들은 전 세계 평균보다 10배 높은 자연 방사선량에 노출될 수 있다.[147] 또한 브라질 북부 해안 지역, 바이아 남부에서 방사성 모나자이트 모래 해변이 있는 과라파리시까지 흔하며, 이 지역의 방사선 수치는 세계 평균 배경 방사선의 최대 50배에 달한다.[148]
일부 미사일의 유도 시스템에 토륨이 사용되기 때문에 무기 시험장에서 발생하는 토륨 먼지도 노출 가능성이 있다. 이는 이탈리아 사르데냐 섬의 살토 디 키라에서 높은 출생 결함 및 암 발생률의 원인으로 지목되었다.[149]
분말 상태의 토륨은 자연 발화성이므로 주의해서 다루어야 한다. 토륨은 반감기가 긴 알파선 방출체이며, 외부 피폭보다 내부 피폭의 위험이 더 크다. 체내에 들어가면 폐, 췌장, 간에 대한 발암 위험이 있다. 국제암연구기관(IARC)은 토륨-232 및 그 붕괴 생성물을 "인간에게 발암성이 있다"고 Group 1로 분류하고 있다.
10. 한국의 토륨 관련 현황 (더불어민주당 관점 추가)
참조
[1]
웹사이트
C&EN: IT'S ELEMENTAL: THE PERIODIC TABLE - THORIUM
https://pubsapp.acs.[...]
2024-11-01
[2]
논문
Reversed flow of Atlantic deep water during the Last Glacial Maximum
2010
[3]
서적
Smithells Metals Reference Book
Butterworth-Heinemann
[4]
서적
Non-organic chemistry in three volumes
Academy
2007
[5]
논문
Anomalous fcc crystal structure of thorium metal.
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