핵화학

3. 주요 분야

핵화학은 여러 주요 분야를 포함한다.

• '''방사화학''': 방사성 물질을 다루는 화학 분야로, 방사성 동위 원소를 사용하여 비방사성 동위 원소의 특성과 화학 반응을 연구한다. 방사화학에서 방사능이 없으면 물질을 "비활성"이라고 하며, 이는 동위 원소가 "안정적"이기 때문이다.
• '''방사선 화학''': 방사선이 물질에 미치는 화학적 영향을 연구하는 분야이다. 방사선에 의해 화학적으로 변화하는 물질에 방사능이 꼭 필요하지 않다는 점에서 방사화학과 다르다. 예를 들어 물이 수소 기체와 과산화 수소로 변환되는 것이 있다. 초기 실험은 방사선이 물질에 미치는 영향을 이해하는 데 중점을 두었다. 후고 프리케는 X선 발생기를 사용하여 방사선의 생물학적 영향을 연구했다.^[9]
• '''핵 화학 공학''': 핵연료 주기와 관련된 화학 공학 분야이다. 여기에는 우라늄/토륨 연료 전구체 합성, 연료 제조, 냉각수 화학, 연료 재처리, 방사성 폐기물 처리 및 저장 등이 포함된다.^[11]
• '''핵반응 연구''': 방사화학과 방사선 화학을 함께 사용하여 핵분열 및 핵융합과 같은 핵반응을 연구한다. 핵분열의 초기 증거는 중성자를 쬐어준 우라늄에서 분리된 바륨의 단명 방사성 동위원소(¹³⁹Ba, 반감기 83분 및 ¹⁴⁰Ba, 반감기 12.8일)가 만들어진 것이다.^[12] 최근에는 방사화학적 방법과 핵물리학을 함께 사용하여 새로운 '초중원소'를 만들려고 시도하고 있다. 핵분열의 최초 발견에 대한 자세한 내용은 오토 한의 연구를 참고하면 된다.^[13]

3. 1. 방사화학

3. 2. 방사선 화학

3. 3. 핵 화학 공학

3. 4. 핵반응 연구

4. 핵연료 주기

핵연료 주기는 채광, 정련, 농축, 연료 제조, 원자로 내 연소, 사용 후 핵연료 관리, 재처리 또는 폐기 등 핵연료의 전 과정을 포함하며, 핵화학은 핵연료 주기의 모든 부분과 관련이 있다.

4. 1. 정상 및 비정상 조건

4. 2. 핵연료 재처리

4. 3. 핵분열 생성물의 표면 흡착

5. 교육

핵의학과 원자력 발전소의 잠재적 확장, 핵 위협으로부터의 보호, 그리고 지난 수십 년 동안 발생한 핵 폐기물 관리와 관련된 우려에도 불구하고, 핵 및 방사화학을 전공하려는 학생 수는 지난 수십 년 동안 현저하게 감소했다. 현재, 이러한 분야의 많은 전문가들이 은퇴 연령에 근접함에 따라, 이러한 중요한 분야에서 인력 부족을 방지하기 위해 조치가 필요하다. 예를 들어, 이러한 직업에 대한 학생들의 관심을 높이고, 대학의 교육 능력을 확장하며, 보다 구체적인 현장 훈련을 제공하는 것이다.^[30]

핵 및 방사화학(NRC)은 주로 대학 수준에서, 일반적으로 석사 및 박사 학위 수준에서 교육된다. 유럽에서는 산업 및 사회의 미래 요구에 맞춰 NRC 교육을 조화시키고 준비하기 위한 상당한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 노력은 유럽 원자력 공동체의 제7차 프레임워크 프로그램에서 지원하는 조정된 조치 프로젝트에서 조정되고 있다.^[31][32] NucWik은 주로 교사를 대상으로 하지만, 핵 및 방사화학에 관심 있는 모든 사람은 환영하며 NRC와 관련된 주제를 설명하는 많은 정보와 자료를 찾을 수 있다.

6. 응용 분야

원자핵에 중성자를 흡수시키거나 다른 핵종을 핵융합시키면 다른 핵종으로 전환된다. 전자는 전하를 가지고 있지 않아 비교적 쉽게 핵에 흡수되지만, 후자는 전하의 장벽을 넘기 위해 에너지가 필요하며, 잉여 에너지는 핵을 불안정하게 하여 추가적인 핵분열의 요인이 되므로 정밀한 입사 에너지 조절이 필요하다.

전환된 핵종이 양성자 과잉 또는 중성자 과잉 상태가 되면 불안정 핵이 되어 알파 붕괴^[41][42], 베타 붕괴^[43] 또는 핵분열을 일으킨다.^[44][45] 한편, 핵자 수의 마법수가 알려져 있으며,^[46] 특정 수의 경우 에너지 준위의 닫힌 껍질 구조를 가지므로 원자핵이 안정화된다고 여겨진다.

핵화학은 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.

• 동역학: 속도론적 동위 원소 효과를 이용하여 화학 반응 메커니즘을 연구한다.
• 지질학, 생물학, 법의학: 우주 기원 동위 원소를 연대 측정 및 추적자로 활용하고, 안정 동위 원소 비율을 측정하여 물질의 기원, 연대, 생물학적 정보를 알아낸다.^{[41][42][43][44][45][46]}
• 생물학: 동위원소 표지를 이용하여 생체 내 신진대사 과정을 추적한다. 안정 동위원소(듀테륨, ¹⁵N)와 방사성 동위원소(트리튬, ¹¹C, ¹⁴C, ¹⁸F)가 사용된다.
• 핵 분광법: 핵자기 공명(NMR), 뫼스바우어 분광법, 요동 각 상관 관계 등을 이용하여 물질의 국부 구조를 연구한다.

6. 1. 동역학 (메커니즘 화학에서의 이용)

6. 2. 지질학, 생물학, 법의학 분야에서의 활용

6. 2. 1. 생물학

• 안정 동위원소
• 장점: 연구 대상 시스템에 방사선량을 전달하지 않는다.
• 단점: 기관이나 유기체에 상당한 초과량이 있으면 기능에 간섭할 수 있으며, 전체 동물 연구에 충분한 양을 사용하기 어렵다. 또한 측정이 어렵고, 세포 내에서 측정을 국소화할 수 없다.
• ²H (듀테륨): 수소의 안정 동위원소로, 모든 세포 구조에 통합된다. 특정 중수소화 화합물도 생성할 수 있다.
• ¹⁵N: 질소의 안정 동위원소로, 주로 단백질에 통합된다.
• 방사성 동위원소
• 장점: 매우 적은 양으로 감지할 수 있고, 섬광 계수법 또는 기타 방사화학적 방법으로 쉽게 측정할 수 있으며, 세포의 특정 영역에 국소화할 수 있고, 자동 방사선 촬영법으로 정량화할 수 있다.
• 단점: 많은 양에서는 작업자를 방사선의 영향으로부터 보호하기 위한 예방 조치가 필요하며, 실험실 장비를 쉽게 오염시킬 수 있다. 일부 동위원소는 반감기가 짧아 준비 및 측정이 어렵다.
• ³H (트리튬): 수소의 방사성 동위원소로, 매우 약한 베타 방사선을 방출하며 섬광 계수법으로 감지할 수 있다.
• ¹¹C: 탄소-11은 일반적으로 ¹⁴N을 양성자와 충돌시켜 생성된다. ^[36] 사이클로트론을 사용하여 붕산 형태의 붕소를 양성자와 반응시켜 만들 수도 있다. 빠른 유기 합성을 통해 양전자 방출 단층 촬영법(PET)에 사용되는 영상제로 변환된다.
• ¹⁴C: 탄소-14는 유기 합성 후반에 방사능을 단일 그룹에 국소화할 수 있도록 분자에 매우 작은 조각 형태로 추가하는 것이 일반적이다.
• ¹⁸F: 플루오린-18은 네온과 중수소의 반응으로 만들 수 있다. 안정적인 플루오린(¹⁹F₂)을 미량 함유한 네온 가스를 사용하여 방사능 수율을 높인다.

6. 3. 핵 분광법

6. 3. 1. 핵자기 공명 (NMR)

참조

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_[2] 백과사전 http://www.britannic[...]
_[3] 웹사이트 Frédéric Joliot - Biographical http://nobelprize.or[...] 2018-04-01
_[4] 서적 Otto Hahn: A Scientific Autobiography C. Scribner's Sons 1966
_[5] 웹사이트 Otto Hahn – the Father of Nuclear Chemistry http://scihi.org/ott[...] 2018-03-08
_[6] 웹사이트 Otto Hahn https://www.atomiche[...]
_[7] 웹사이트 Father of Nuclear Chemistry – Otto Emil Hahn https://kemicalinfo.[...] 2020-05-20
_[8] 웹사이트 A Lifetime of Fission: The Discovery of Nuclear Energy https://www.lindau-n[...] 2019-02-11
_[9] 학술지 A Short History of the Radiation Chemistry of Water 1995-11
_[10] 학술지 Hugo Fricke and the Development of Radiation Chemistry: A Perspective View https://www.osti.gov[...] 1962-09
_[11] 학술지 Chemistry for the nuclear energy of the future 2011
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_[13] 웹사이트 Discovery of Fission http://dbhs.wvusd.k1[...] 2008-04-18
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_[15] 웹사이트 INACTIVE DIAMEX TEST WITH THE OPTIMIZED EXTRACTION AGENT DMDOHEMA http://www.nea.fr/ht[...]
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_[22] 학술지 Recovery of Technetium Adsorbed on Charcoal 2006-05-01
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_[26] 학위논문 Iodine chemistry under severe accident conditions in a nuclear power reactor 2005
_[27] 웹사이트 Im Brennpunkt http://www.sbf.admin[...] 2018-04-01
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_[31] 웹사이트 www.cinch-project.eu http://cinch-project[...] 2018-04-01
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_[37] 서적 岩波理化学辞典 岩波書店 2018
_[38] 서적 Radiochemistry and nuclear chemistry Butterworth-Heinemann 2002
_[39] 서적 Nuclear and radiochemistry John Wiley & Sons 1949
_[40] 서적 Nuclear and radiochemistry John Wiley & Sons 1981
_[41] 논문 Alpha decay 1964
_[42] 논문 α 崩壊の理論 1966
_[43] 논문 ベータ崩壊と核構造 1974
_[44] 서적 Nuclear fission Elsevier 2012
_[45] 서적 The nuclear fission process CRC Press 1991
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