플루토늄

3. 특성

플루토늄은 초우라늄 원소이자 방사성 원소로, 자연에서 발견되기 전까지는 인공적으로 만들어진 원소로만 알려졌다. ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu 등 여러 동위원소가 존재하며, ²³⁹Pu의 반감기는 약 2만 4000년(알파 붕괴)이다.

원자로에서는 ²³⁸U이 중성자를 포획해 ²³⁹U가 되고, 베타 붕괴를 거쳐 ²³⁹Np이 된 후, 다시 베타 붕괴하여 ²³⁹Pu가 생성된다(원자로 내에서는 다른 플루토늄 동위원소도 다수 생성될 수 있다). 천연 우라늄의 대부분이 ²³⁸U이고, 천연 우라늄 내에서도 ²³⁹Np와 ²³⁹Pu가 위 과정을 통해 생성되므로 플루토늄은 천연 상태에서도 극미량 존재한다. 동위원소 중에서는 가장 긴 약 8000만 년의 반감기를 가진 ²⁴⁴Pu도 극미량이지만 천연에 존재한다.

플루토늄과 그 화합물은 알파선을 방출하여 체내, 특히 폐에 축적되면 강한 발암성을 나타내므로 매우 유해하다. 플루토늄은 핵무기의 원료나 플루서멀(Plu-thermal) 발전의 MOX 연료로 주로 사용되며, 인공위성의 전원인 원자력 전지로 사용된 적도 있다.^[152]

플루토늄은 산소와 쉽게 반응하여 PuO, PuO₂가 된다. 고온에서 소결한 PuO₂는 질산에도 잘 녹지 않지만, 플루오린화 수소산을 가하면 녹는다.^[154] 또한, 그 중간 산화물도 생성한다. 할로젠과도 반응하여 PuX₃ 형태의 화합물을 만들며, PuF₄ 및 PuF₆도 확인된다. PuOCl, PuOBr 및 PuOI와 같은 할로겐화 산화물도 확인되었다.

탄소와 반응하여 PuC, 질소와 반응하여 PuN, 규소와 반응하여 PuSi₂를 형성한다. 플루토늄은 다른 악티늄족 원소와 마찬가지로 사산화플루토늄 PuO₂를 형성하지만, 자연 환경에서는 탄산 등 산소를 포함하는 이온(OH⁻, NO₂⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻)과 전하를 띤 착물을 만든다. 이렇게 생성된 착물은 토양과의 친화성이 낮아 쉽게 이동한다.

강한 질산 산성 용액을 중화하여 만든 PuO₂는 착물이 되지 않는 PuO₂ 중합체를 생성하기 쉽다. 플루토늄은 또한 원자가가 +3~+6가 사이에서 변하기 쉬우며, 어떤 용액 속에서 이러한 모든 원자가로 평형을 이루어 존재하는 것도 드물지 않다.

1972년, 가봉의 오클로 천연 원자로에서 비교적 고농도의 천연 플루토늄이 발견되었다.

환경 중의 플루토늄은 대부분 사산화플루토늄(PuO₂) 형태로 존재하는데, 이는 매우 물에 녹기 어렵다.^[174] 1천만 m³의 순수에 플루토늄 원자 1개가 녹을 정도이다.

3. 1. 물리적 특성

• +3가 (Pu^{3+}) - 청자색
• +4가 (Pu^{4+}) - 황갈색
• +5가 (PuO^{2+}) - 분홍색 (용액 중에서는 불안정하여, Pu^{4+} 와 PuO^2^+ 로 불균화한다. Pu^{4+} 는 PuO^{2+} 를 Pu{O2}^{2+} 로 산화시키고, 자신은 Pu^{3+} 가 된다. 이 때문에 플루토늄염의 수용액은 시간이 경과하면 Pu^{3+} 와 Pu{O2}^{2+} 의 혼합물로 변하는 경향이 있다.)
• +6가 (Pu{O2}^{2+}) - 분홍·오렌지색
• +7가 (Pu{O5}^{2-}) - 암적색 (극단적인 산화성 분위기에서만 생성)

3. 2. 동소체

3. 3. 화학적 성질 및 화합물

플루토늄은 수용액 중에서 다음과 같은 5가지 산화수를 가질 수 있다.

• +3가 (Pu^{3+}) - 청자색
• +4가 (Pu^{4+}) - 황갈색
• +5가 (PuO^{2+}) - 분홍색 (용액 중에서는 불안정하여 Pu^{4+}와 PuO^2^+로 불균화한다. Pu^{4+}는 PuO^{2+}를 Pu{O2}^{2+}로 산화시키고, 자신은 Pu^{3+}가 된다. 이 때문에 플루토늄염 수용액은 시간이 지나면 Pu^{3+}와 Pu{O2}^{2+}의 혼합물로 변하는 경향이 있다.)
• +6가 (Pu{O2}^{2+}) - 분홍·오렌지색
• +7가 (Pu{O5}^{2-}) - 암적색 (극단적인 산화성 분위기에서만 생성)

• PuO₂(CO₃)²⁻
• PuO₂(CO₃)₂⁴⁻
• PuO₂(CO₃)₃⁶⁻

3. 4. 핵분열성

3. 5. 동위원소

4. 이용

플루토늄은 핵무기의 원료, 플루서멀(Plu-thermal) 발전에 사용되는 MOX 연료, 인공위성의 전원인 원자력 전지 등으로 이용된다.

• '''핵무기''': ²³⁹Pu는 핵분열이 쉽고 합성이 용이하여 현대 핵무기의 주요 원료로 사용된다. (자세한 내용은 하위 항목 "핵무기" 참조)
• '''원자력 발전''': 원자로에서 ²³⁸U이 중성자를 포획하여 ²³⁹Pu가 생성되는 과정을 통해 플루토늄이 만들어진다. 이는 MOX 연료로 사용될 수 있다. (자세한 내용은 하위 항목 "원자력 발전" 참조)
• '''원자력 전지''': ²³⁸Pu는 반감기가 짧고 많은 열에너지를 방출하여 방사성 동위원소 열전 발전기에 사용된다. 갈릴레오 호나 카시니-하위헌스 호와 같은 우주 탐사선, 아폴로 달표면 탐사 계획의 지진 실험, 인공 심장 등에 이용되었다. (자세한 내용은 하위 항목 "원자력 전지" 참조)

4. 1. 핵무기

4. 2. 원자력 발전

• '''PGA'''는 플루토늄의 δ 상을 안정화시키고 α 상 및 α–δ 관련 문제를 방지하는 데 사용된다. 주요 용도는 내폭 폭탄의 탄두이다.^[39]
• '''플루토늄-알루미늄'''은 PGA의 대안이다. 플루토늄-알루미늄 합금은 핵연료의 구성 요소로도 사용될 수 있다.^[40]
• '''플루토늄-지르코늄''' 합금은 핵연료로 사용될 수 있다.^[42]
• '''플루토늄-세륨'''과 '''플루토늄-세륨-코발트''' 합금은 핵연료로 사용된다.^[43]
• '''플루토늄-우라늄'''은 약 15~30 mol.%의 플루토늄을 함유하며, 고속 증식로의 핵연료로 사용될 수 있다. 티타늄 및/또는 지르코늄의 첨가는 합금의 융점을 상당히 높인다.^[44]
• '''플루토늄-우라늄-티타늄'''과 '''플루토늄-우라늄-지르코늄'''은 핵연료로 사용하기 위해 연구되었다. '''플루토늄-우라늄-몰리브덴'''은 산화물의 보호막을 형성하여 부식 저항성이 가장 우수하지만, 물리적 이유로 티타늄과 지르코늄이 선호된다.^[44]
• '''토륨-우라늄-플루토늄'''은 고속 증식로의 핵연료로 연구되었다.^[44]

4. 3. 원자력 전지

5. 위험성

플루토늄은 인체에 흡수될 경우 매우 위험한 물질이다. 플루토늄의 위험성은 크게 방사능, 화학적 독성, 임계, 발화성으로 나눌 수 있다.

플루토늄 섭취 시 소화기관을 통해 흡수되는 경우는 약 0.05%에 불과하며 나머지는 배설된다. 흡수된 극소량의 플루토늄은 뼈와 간에 축적되어 배출되기 어렵다. 가장 위험한 흡수 경로는 공기 중에 떠도는 플루토늄 화합물 미립자를 흡입하는 경우이다. 흡입된 미립자는 폐에 침착되거나, 림프절, 혈관을 통해 뼈와 간 등에 침착된다.

플루토늄은 맨해튼 계획과 같은 핵무기 연구 과정에서 실험 동물과 사람에게 미치는 영향이 연구되었다.^[97] 동물 실험 결과, kg당 수 밀리그램의 플루토늄이 치사량으로 밝혀졌다.^[95] 사람을 대상으로 한 실험에서는 말기 환자나 수명이 얼마 남지 않은 환자들에게 플루토늄 용액을 주사했다.^[97] 1945년부터 1947년까지는 사전 동의 없이 플루토늄 주사 실험이 이루어지기도 했다.^[97] 이러한 실험들은 의학 윤리 및 히포크라테스 선서에 심각하게 위반되는 행위로 간주된다.^[101]

플루토늄의 유해한 영향은 방사능과 중금속 중독 두 가지 측면에서 나타난다. 플루토늄 화합물은 방사성을 띠며 골수에 축적된다. 산화플루토늄에 의한 오염은 핵 재난 및 방사성 사고로 인해 발생할 수 있다.^[117] 플루토늄 붕괴 시 방출되는 알파(α), 베타(β), 감마(γ) 전리 방사선은 방사선 질환, 유전적 손상, 암, 사망 등 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있다.^[55]

플루토늄은 흡입했을 때 더 위험하다. 흡입된 플루토늄의 총 방사선 선량 등가량이 400 mSv를 초과하면 폐암 위험이 증가한다.^[125]

플루토늄은 해양 환경에도 영향을 미친다. 폐기물 투기나 원자력 발전소 사고로 인해 해양으로 유입될 수 있으며, 해양 생태계에 복잡한 영향을 미친다.^[131]

5. 1. 방사능

5. 2. 화학적 독성

5. 3. 임계 관리

5. 4. 발화성

6. 역사

우라늄(원자번호 92)과 넵투늄(원자번호 93)이 각각 태양계의 행성인 천왕성과 해왕성에서 이름을 따왔기 때문에, 당시 해왕성 다음 행성으로 여겨졌던 명왕성(Pluto)에서 플루토늄(원자번호 94)의 이름을 따왔다. 글렌 시보그는 원소 기호 Pu를 선택했는데, 이는 아이가 냄새날 때 외치는 "Pee-Yoo!"를 연상시키는 농담이었지만^[149], 주기율표에 채택되었다.

초기에는 월터 러셀이 플루토늄의 존재를 예상했지만, 1940년 우라늄-238에 중성자를 조사하여 플루토늄과 넵투늄을 합성하는 방법을 두 연구팀이 독립적으로 예측했다. 미국의 캘리포니아 대학교버클리 방사선 연구소의 에드윈 M. 매클밀란과 필립 아벨손, 그리고 영국 케임브리지 대학교캐번디시 연구소의 노먼 페더와 에곤 브레처였다. 두 팀 모두 외행성의 배열과 비슷하게 우라늄 다음 원소의 이름을 제안했다.

1941년 2월 23일 글렌 시보그 팀이 최초로 플루토늄을 합성·분리했다. (자세한 내용은 글렌 시보그 문서 참조)

맨해튼 계획과 그 이후의 핵무기 개발 과정, 냉전 시대의 핵무기 개발과 그 이후의 내용은 각각 맨해튼 계획, 핵무기 개발, 냉전 시대 관련 문서를 참조하라.

6. 1. 발견

6. 2. 맨해튼 계획과 핵무기 개발

6. 3. 냉전 시대와 그 이후

7. 한국과 플루토늄

한국은 플루토늄을 직접 다루는 기술이나 시설을 보유하고 있지 않다. 그러나 한국은 원자력 발전소를 운영하고 있으며, 사용 후 핵연료 재처리에 대한 논의가 지속적으로 이루어지고 있다.

7. 1. 규제

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