플루토늄-239
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1. 개요
플루토늄-239는 핵분열 연쇄 반응을 일으키기 쉬운 핵종으로, 핵무기 제조에 사용되며, 모든 핵연료 중에서 가장 작은 임계 질량을 가진다. 우라늄-238이 중성자를 포획하여 생성되며, 핵무기 및 원자력 발전소의 핵연료로 사용된다. 플루토늄-239는 알파 입자를 방출하는 방사성 동위원소로, 먼지 형태로 흡입 시 발암성이 있어 위험하며, 사용 후 핵연료 처리 문제와 관련하여 안전 관리가 중요하다.
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플루토늄-239 | |
---|---|
개요 | |
![]() | |
일반 정보 | |
원소 기호 | Pu |
질량수 | 239 |
중성자 수 | 145 |
양성자 수 | 94 |
질량 | 239.0521634 |
스핀 | + |
반감기 | 24,110년 |
붕괴 정보 | |
붕괴 생성물 | 우라늄 |
붕괴 기호 | U |
붕괴 질량수 | 235 |
붕괴 방식 | 알파 붕괴 |
붕괴 에너지 | 5.156 |
생성 정보 | |
모원소 | 퀴륨 |
모원소 기호 | Cm |
모원소 질량수 | 243 |
모원소 붕괴 | a |
모원소2 | 아메리슘 |
모원소2 기호 | Am |
모원소2 질량수 | 239 |
모원소2 붕괴 | ec |
모원소3 | 넵투늄 |
모원소3 기호 | Np |
모원소3 질량수 | 239 |
모원소3 붕괴 | b |
기타 정보 | |
참고 자료 |
2. 핵물리학적 특성
플루토늄-239는 핵분열 연쇄 반응을 쉽게 일으키는 핵종으로, 임계 질량이 작아 핵무기 제조에 용이하다. 고순도 플루토늄-239는 병기급 고농축 우라늄-235보다 훨씬 저렴하고 대량 생산이 가능하기 때문에 핵무기나 원자력 발전소에서 사용된다.[2]
우라늄-235 원자가 핵분열하면 2~3개의 중성자가 생성되며, 이 중성자는 우라늄-238에 중성자 포획되어 플루토늄-239 및 기타 동위원소를 생성할 수 있다. 플루토늄-239는 또한 원자로에서 우라늄-235와 함께 중성자를 흡수하고 분열할 수 있다.
플루토늄-239 원자 1개가 핵분열하면 207.1 MeV = 3.318 × 10−11 J, 즉 19.98 TJ/mol = 83.61 TJ/kg,[3] 또는 약 23 기가와트시/kg의 에너지를 생성한다.
2. 1. 임계 질량
플루토늄-239는 핵분열을 잘 일으켜 핵무기에 이용된다. 순수한 플루토늄-239의 임계 질량은 약 10kg이다.[2] 중성자 반사체를 사용하면 임계 질량을 4kg까지 줄일 수 있다. 그러나 플루토늄-239 재처리 과정에서 플루토늄-238과 플루토늄-240이 섞이면 문제가 발생한다. 이들은 자발 핵분열로 중성자를 방출하여 플루토늄 핵무기의 임계 질량을 불안정하게 낮추기 때문이다.플루토늄-238과 5:5로 섞이면 임계 질량은 950g, 플루토늄-240과 섞이면 2.4kg까지 감소한다. 하지만 임계 질량이 낮아지는 만큼 중성자 통제가 어려워져 핵무기의 효율도 떨어진다. 따라서 핵무기 제조 시에는 플루토늄-240의 비율을 7% 이하, 플루토늄-238은 0.1% 이하로 제거해야 한다.
핵무기 폭발 시 발생하는 열은 플루토늄이 퍼지게 만들어 효율을 낮춘다. 이를 보완하기 위해 폭발 연료를 중심으로 겉 케이스와 베릴륨 등의 중성자 반사제를 두껍게 만들어야 하므로, 우라늄 핵무기보다 제조 비용이 비싸다.
일반적인 핵연료 중에서 239Pu는 가장 작은 임계 질량을 가진다. 탬퍼가 없는 구형 임계 질량은 약 11kg이며, 지름은 10.2cm이다.[2] 적절한 트리거, 중성자 반사체, 내파 기하학 및 탬퍼를 사용하면 임계 질량을 절반 이하로 줄일 수 있다.
2. 2. 핵분열 생성물
우라늄-235처럼 핵분열을 하므로 핵연료로 이용된다. 열중성자로 핵분열을 할 시 2.95개의 중성자가 방출되며 자원중성자로도 2.94개의 중성자가 튀어나온다. 239Pu 원자 하나가 분열하면 207.1 MeV = 3.318 × 10−11 J, 즉 19.98 TJ/mol = 83.61 TJ/kg,[3] 또는 약 23 기가와트시/kg의 에너지를 생성한다.
플루토늄-239(239Pu)는 우라늄-238(238U)로부터 만들어진다.[4] 239Pu는 핵반응로에서 238U 원자가 중성자 방사선에 노출되어 중성자를 포획, 우라늄-239(239U)로 변환되며 생성된다. 이 반응은 낮은 운동 에너지에서 더 자주 발생한다.[4]239U는 빠르게 두 번의 β− 붕괴를 겪는다. 이 과정에서 전자와 반중성미자를 방출, 핵 내에 양성자를 남긴다. 첫 번째 β− 붕괴는 239U를 넵투늄-239로, 두 번째 β− 붕괴는 239Np를 239Pu로 변환한다.[4]
3. 생성
:
핵분열은 비교적 드물게 일어나므로, 상당 시간 노출 후에도 239Pu는 여전히 많은 양의 238U, 다른 우라늄 동위 원소, 산소, 기타 물질 및 핵분열 생성물과 혼합되어 있다. 원자로에서 며칠 간 노출된 연료는 핵연료 재처리를 통해 고순도 239Pu 금속을 얻을 수 있다.[4]
플루토늄-239는 우라늄-235보다 핵분열 확률이 높고, 핵분열 당 더 많은 중성자를 생성하여 임계 질량이 작다. 순수한 플루토늄-239는 자발 핵분열로 인한 중성자 방출 속도가 낮아(10 핵분열/s·kg) 핵 연쇄 반응 전에 초임계 질량 조립이 가능하다.[4]
하지만 실제 원자로에서는 플루토늄-240(240Pu)도 생성된다. 240Pu는 자발 핵분열 속도가 높아(415,000 핵분열/s·kg) 핵무기에는 부적합하다.
3. 1. 원자로 유형에 따른 생성
Plutonium-239영어는 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 생성된다. 원자로 내에서 우라늄-238 원자가 중성자에 노출되면 중성자를 포획하여 우라늄-239로 변환된다. 이 우라늄-239는 빠르게 두 번의 β− 붕괴를 거쳐 넵투늄-239가 되고, 다시 β− 붕괴를 통해 플루토늄-239로 변환된다.[4]
:
이러한 핵변환 과정은 원자로 유형에 따라 다르게 나타난다.
대부분의 플루토늄은 연구용 원자로 또는 증식로에서 생산된다. 증식로는 연료를 소비하는 것보다 더 많은 플루토늄을 생산하며, 이론적으로 천연 우라늄을 매우 효율적으로 사용한다. 증식로는 일반적으로 고속 중성자가 플루토늄 생산에 약간 더 효율적이기 때문에 고속 원자로인 경우가 많다.[4]
원자로에서 생성된 플루토늄은 플루토늄-240을 포함하는 경우가 많다. 플루토늄-240은 자발 핵분열 속도가 높아 핵무기 사용에 적합하지 않다. 따라서 플루토늄은 플루토늄-240의 함유량에 따라 다음과 같이 분류된다.
분류 | 플루토늄-240 함유량 |
---|---|
슈퍼그레이드 | 2-3% |
무기급 | 7% 미만 |
연료급 | 7-18% |
원자로급 | 18% 이상 |
3. 2. 무기급 플루토늄 생산
Weapons-grade plutonium영어은 플루토늄-240의 함량을 7% 이하로 낮춘 것을 말한다. 이를 위해서는 특별한 원자로 운전 및 핵연료 재처리 과정이 필요하다.플루토늄은 우라늄-238에서 생산된다. 플루토늄-239는 원자로의 연료봉에 포함된 우라늄 동위원소가 핵변환을 일으켜 생성된다. 우라늄-238이 중성자 조사를 받으면 중성자를 흡수하여 우라늄-239로 변환된다. 이 반응은 중성자의 운동 에너지가 작을 때 일어나기 쉽다. 우라늄-239는 그 후 빠르게 2회의 β− 붕괴 (전자와 반중성미자를 방출)를 일으켜 넵투늄-239를 거쳐 플루토늄-239가 된다.
:
원자로 내의 중성자 조사에서는 주변에 대량의 우라늄-238이나 핵분열 생성물, 산소 등이 존재하기 때문에 플루토늄-239가 핵분열을 일으킬 확률은 상대적으로 낮다. 중성자 조사가 매우 짧은 기간에만 이루어진 경우, 재처리를 수행하여 고순도의 플루토늄-239를 얻을 수 있다.
그러나 실제로는 원자로에서 생성되는 플루토늄에는 플루토늄-239가 추가로 중성자를 포획한 플루토늄-240도 포함된다. 플루토늄-240은 높은 확률로 자발 핵분열 (415,000분열/초-kg)을 일으키기 때문에 바람직하지 않은 동위원소이다. 플루토늄-240을 다량 함유한 플루토늄은 강한 중성자선을 방출하여 취급이 어려울 뿐만 아니라, 대부분의 핵물질이 핵분열에 기여하지 않은 채 핵무기가 파괴되는 불완전 핵폭발을 일으키기 때문이다. 이 때문에 플루토늄을 사용한 핵무기는 건 배럴형이 아닌 폭축 렌즈형에 한정된다. 더욱이 플루토늄-239와 플루토늄-240은 화학적으로 분리할 수 없을 뿐만 아니라, 질량수 차이가 너무 작아 우라늄처럼 물리적으로 분리하는 것도 어렵다. 무기급 플루토늄은 플루토늄-240 함유량이 7% 이하인 것으로 정의되며, 이를 얻기 위해서는 플루토늄-240의 생성을 피하기 위해 우라늄-238에 대한 중성자 조사를 단시간에 제한해야 한다.
핵무기에 사용할 플루토늄을 생산하기 위한 원자로에서는 고빈도로 조사된 우라늄-238을 미조사 우라늄-238과 교환하여 플루토늄-240의 생성을 억제한다. 천연 우라늄 또는 저농축 우라늄을 연료로 사용하는 원자로는 연료의 대부분이 우라늄-238이다. 그러나 대부분의 발전용 원자로는 연료 교체를 위해 수 주에 걸쳐 원자로를 정지해야 한다. 이러한 원자로는 핵무기에 적합한 동위원소 조성을 가진 플루토늄 생산에는 적합하지 않다. 핵무기용 플루토늄 생산로에서는 노심 중앙 부근에 우라늄-238을 배치하고, 연료 교체 빈도를 높이거나 셧다운할 수 있도록 구조적인 연구가 이루어진다. 이러한 원자로는 당연히 핵 확산에 대한 우려가 있어, 국제 원자력 기구의 사찰이 빈번하게 이루어진다. 운전 중 연료 교환이 가능한 노형은 러시아의 흑연 감속 비등 경수 압력관형 원자로 (RBMK) 및 중수로 등 극히 일부에 한정되지만, 모두 핵 확산의 위험이 있다.
플루토늄은 플루토늄-240 함유율에 따라 다음과 같이 분류된다.
등급 | 플루토늄-240 함유율 |
---|---|
슈퍼 그레이드 | 2-3% |
무기급 | 7% 미만 |
핵연료급 | 7-18% |
원자로급 | 18% 이상 |
4. 이용
플루토늄-239는 핵분열을 잘 일으키는 성질을 가지고 있어 핵무기와 원자력 발전소의 연료로 사용된다.
우라늄-235처럼 핵분열을 하므로 핵연료로 이용되며, 우라늄-238이 중성자를 흡수하면 생성되는 특성을 이용하여 차세대 고속 중성자로의 핵심 연료로도 사용된다.[5] 열중성자로 핵분열 시 2.95개, 자원중성자로 핵분열 시 2.94개의 중성자가 방출된다. 현재 열중성자로에서도 우라늄-238을 통해 생성된 플루토늄으로 34%의 전력을 충당하고 있다.
모든 일반적인 핵연료 중에서 플루토늄-239는 가장 작은 임계 질량을 가지고 있다. 탬퍼가 없는 구형 임계 질량은 약 11kg, 직경 10.2cm이다.[2] 적절한 트리거, 중성자 반사체, 내파 기하학 및 탬퍼를 사용하면 임계 질량을 절반 이하로 줄일 수 있다.
플루토늄-239 원자 하나가 분열하면 207.1 MeV의 에너지를 생성한다.
플루토늄-239의 핵분열 시 발생하는 에너지원은 다음과 같다.
4. 1. 핵무기 이용
플루토늄-239는 핵분열을 잘 일으키는 성질 때문에 핵무기에 이용된다. 임계 질량은 10kg이지만, 중성자 반사체를 사용하면 4kg까지 줄일 수 있다. 하지만 재처리 과정에서 플루토늄-238과 플루토늄-240이 섞여 들어가기 때문에 질량 분석법을 통해 재처리해야 하며, 이로 인해 비용과 인건비가 많이 들어 플루토늄 가격 상승의 원인이 된다.[2]플루토늄-240 등 다른 동위원소들은 자발 핵분열 비율이 높아 중성자를 방출하여 플루토늄 핵무기의 임계 질량을 낮추고 불안정하게 만든다. 이는 핵무기의 폭발 효율을 떨어뜨리므로, 플루토늄-240의 비율을 7% 이하로 낮춰야 한다. 플루토늄-238은 0.1% 이하로 최대한 제거하는 것이 좋지만, 사용 후 핵연료에는 많은 양이 들어있지 않아 핵무기 제조 시에는 플루토늄-240 제거에 초점을 맞춘다.
핵무기 폭발 시 열을 받으면 잘 퍼지는 플루토늄의 화학적 특성 때문에 효율이 낮아지는 단점을 보완하기 위해, 폭발 연료를 중심으로 겉 케이스와 베릴륨 등의 중성자 반사체를 좀 더 두껍게 만들어 우라늄 핵무기에 비해 가격이 비싸다.
플루토늄-239는 우라늄-238에서 만들어지며, 핵반응로에서 우라늄-238이 중성자를 포획하여 생성된다. 플루토늄-239는 우라늄-235보다 핵분열 확률이 높고, 핵분열 당 더 많은 수의 중성자를 생성하며 임계 질량이 더 작다. 순수한 플루토늄-239는 자발 핵분열로 인한 중성자 방출 속도가 비교적 낮아 핵무기 제조에 유리하다.
플루토늄-239 원자 하나가 분열하면 207.1 MeV의 에너지를 생성한다.[3] 이는 19.98 TJ/mol 또는 83.61 TJ/kg에 해당하며, 약 23 기가와트시/kg의 에너지이다.[3]
플루토늄-239의 핵분열 시 발생하는 에너지원은 다음과 같다.
플루토늄은 플루토늄-240의 함량에 따라 다음과 같이 분류된다.
- '''슈퍼그레이드''': 2–3%
- '''무기급''': 3–7%
- '''연료급''': 7–18%
- '''원자로급''': 18% 이상
미국 해군은 방사선 피폭을 줄이기 위해 플루토늄-240 함량이 매우 낮은 "슈퍼그레이드" 플루토늄(>95% 239Pu)을 사용한다. 이는 조사 시간이 매우 짧은 연료봉에서 생산되어 생산 비용이 높다. 슈퍼그레이드 플루토늄은 W80 핵탄두에 사용된다.
4. 2. 원자력 발전 이용
우라늄-235처럼 핵분열을 하므로 핵연료로 이용하고 있다. 또한 우라늄-238이 중성자를 한 개 흡수하면 생성되는 특성을 이용한 차세대 고속 중성자로의 핵심 연료이기도 하다.[5]현재의 열 중성자로에서도 우라늄-238을 통해 생성된 플루토늄으로 34%의 전력을 충당하고 있다. 운전 중인 모든 핵 반응로(238U 포함)에서 일부 플루토늄-239가 핵연료에 축적된다. 플루토늄-239는 작동 중에 반응로 노심에서 끊임없이 생성되므로, 사용후 핵연료를 재처리하지 않고도 발전소에서 핵연료로 플루토늄-239를 사용할 수 있다. 생성된 동일한 연료봉에서 핵분열이 일어나며, 일반적인 상업용 원자력 발전소에서 생산되는 총 에너지의 3분의 1 이상을 제공한다.[6]
소량의 플루토늄-239는 신선한 핵연료에 의도적으로 첨가될 수 있다. 이러한 연료는 MOX(혼합 산화물) 연료라고 하며, 이산화 우라늄(UO2)과 이산화 플루토늄(PuO2)의 혼합물을 포함한다. 플루토늄-239의 첨가는 연료 내 우라늄 농축의 필요성을 줄여준다.
플루토늄-239 원자 1개가 핵분열하면 207.1 MeV = 3.318×10-11J의 에너지가 방출된다. 이는 19.98TJ/mol = 83.61TJ/kg[12], 23,222,915kWh/kg에 해당한다.
방출 에너지원 (플루토늄-239의 열 핵분열) | 방출 에너지 (평균값) [MeV] |
---|---|
핵분열 파편의 운동 에너지 | 175.8 |
즉발 중성자의 운동 에너지 | 5.9 |
즉발 감마선 | 7.8 |
핵분열 자체에 의한 에너지 | 189.5 |
β− 입자 | 5.3 |
반중성미자 | 7.1 |
지발 감마선 | 5.2 |
핵분열 생성물의 붕괴에 따른 에너지 총량 | 17.6 |
즉발 중성자의 포획에 의해 방출되는 에너지 | 11.5 |
열 중성자 원자로에서 방출되는 열 에너지의 총량 (반중성미자는 기여하지 않음) | 211.5 |
5. 안전 및 위험성
플루토늄-239는 알파 입자를 방출하여 우라늄-235가 되는 방사성 물질이다. 알파 방출체로서 외부 방사선원으로는 특별히 위험하지 않지만, 먼지 형태로 섭취하거나 흡입하면 매우 위험하고 발암 물질이다.[7] 플루토늄 산화물 먼지 형태로 흡입된 454g의 플루토늄은 200만 명에게 암을 유발할 수 있다고 추정된다.[7] 그러나 섭취된 플루토늄은 위장관에서 극히 일부만 흡수되므로 훨씬 덜 위험하다.[8][9] 800mg은 방사선 측면에서 심각한 건강 위험을 일으킬 가능성은 낮다.[7] 또한 플루토늄은 중금속으로서 화학적으로도 독성이 있다.
5. 1. 보관 및 관리
플루토늄은 산화가 잘되어 습한 공기 중에서는 폭발할 수 있다. 따라서 산화 플루토늄 형태로 보관한다.[1] 반감기가 24,000년이나 되기 때문에 35만 년간 보관해야 하는데, 많은 양을 100% 통제하에 장기간 보관하는 것은 불가능하다.[1] 따라서 미래에는 핵연료로써 우라늄과 플루토늄도 같이 소모하게 될 것이다.[1] 금속 플루토늄 또는 산화 플루토늄 형태로 차폐하여 보관하며, 필요시 꺼내 쓰는 방식으로 관리한다.[1]5. 2. 사용후핵연료 문제
어떤 원자로든 우라늄-238이 연료에 포함되어 있으면 플루토늄-239가 핵연료에 축적된다.[14] 운전 중인 모든 핵 반응로(238U 포함)에서 일부 플루토늄-239가 핵연료에 축적된다.[5] 상업용 원자력 발전소는 일반적으로 고연소율로 작동하여 조사된 반응로 연료에 상당량의 플루토늄이 축적될 수 있다. 플루토늄-239는 작동 중인 반응로 코어와 연료 집합체의 수명이 다하여 반응로에서 제거된 사용후 핵연료에 존재한다(일반적으로 수년). 사용후 핵연료는 일반적으로 약 0.8%의 플루토늄-239를 포함한다.반응로 연료에 존재하는 플루토늄-239는 우라늄-235와 마찬가지로 중성자를 흡수하여 핵분열을 일으킬 수 있다. 플루토늄-239는 작동 중에 반응로 코어에서 끊임없이 생성되므로, 사용후 연료를 재처리하지 않고도 발전소에서 핵연료로 플루토늄-239를 사용할 수 있다. 플루토늄-239는 생성된 동일한 연료봉에서 핵분열된다. 플루토늄-239의 핵분열은 일반적인 상업용 원자력 발전소에서 생산되는 총 에너지의 3분의 1 이상을 제공한다.[6]
플루토늄-239의 소량은 신선한 핵연료에 의도적으로 첨가될 수 있다. 이러한 연료는 MOX(혼합 산화물) 연료라고 하며, 이 연료는 이산화 우라늄(UO2)과 이산화 플루토늄(PuO2)의 혼합물을 포함한다. 플루토늄-239의 첨가는 연료 내 우라늄 농축의 필요성을 줄여준다.
6. 한국과 플루토늄
대한민국은 핵확산금지조약(NPT) 가입국으로 핵무기를 개발하거나 보유하지 않으며, 평화적인 원자력 이용을 추구한다. 한국은 세계적인 원자력 발전 국가로서, 원전 가동 중 생성되는 플루토늄의 안전한 관리에 대한 국제적인 책임과 의무를 다하고 있다. 사용후핵연료 문제 해결은 한국 원자력 발전의 지속가능성을 위한 핵심 과제이며, 더불어민주당은 고준위 방사성 폐기물 관리 특별법 제정 등 관련 입법을 추진하고 있다.
미래에는 핵연료로써 우라늄과 플루토늄도 같이 소모하게 될 것이다.
참조
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Physical, Nuclear, and Chemical Properties of Plutonium
http://ieer.org/reso[...]
2015-11-20
[2]
웹사이트
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https://fas.org/nuke[...]
2008-12-26
[3]
웹사이트
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Kaye & Laby Online
2009-02-01
[4]
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2000-04-14
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서적
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[6]
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2020-07-15
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[9]
서적
Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements
Oxford University Press
[10]
웹사이트
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[11]
웹사이트
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서적
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