농축 우라늄

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1. 개요
2. 농축 방법
3. 등급
4. 생산과 수요
참조

1. 개요

농축 우라늄은 우라늄-235의 비율을 높인 우라늄으로, 핵분열 연쇄 반응을 일으키는 데 사용된다. 농축에는 많은 비용과 전력이 소모되며, 우라늄-235와 우라늄-238의 화학적 성질이 같아 물리적 방법을 통해 분리한다. 가스확산법, 열확산법, 원심력법, 전자법 등의 방법이 사용된다. 농축 우라늄은 우라늄-235의 비율에 따라 저농축 우라늄, 고농축 우라늄, 약농축 우라늄, 재처리 우라늄으로 분류된다. 저농축 우라늄은 원자력 발전소 연료로, 고농축 우라늄은 핵무기 및 군사용으로 사용된다. 러시아는 세계 최대의 우라늄 농축 능력을 보유하고 있으며, 대한민국은 원자력 발전에 필요한 농축 우라늄을 수입에 의존하고 있다.

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농축 우라늄
농축 우라늄을 담은 실린더
가스 확산 공장
개요
정의	천연 우라늄에 존재하는 우라늄-235의 비율을 높이는 과정 또는 그 결과물
주요 목적	원자력 발전소의 핵연료 원자폭탄 등 핵무기 제조
농축 방식	기체 확산법 원심분리법 레이저 농축법
역사
최초 농축	1940년대 초, 제2차 세계 대전 중 맨해튼 계획
상업적 이용	1950년대부터 원자력 발전소 핵연료로 사용
농축 과정
원료	천연 우라늄 (주로 옐로케이크 형태)
농축 방식 종류	기체 확산법: 기체 상태의 우라늄 화합물을 다공성 막 통과시켜 분리 원심분리법: 회전력 이용, 질량 차이로 우라늄 동위 원소 분리 레이저 농축법: 레이저 이용, 특정 동위 원소 선택적 여기/분리
주요 변환 과정	우라늄 광석을 가공하여 옐로케이크 형태로 만듦 옐로케이크를 사불화우라늄 (UF4)으로 변환 사불화우라늄을 육불화우라늄 (UF6)으로 변환 농축 과정 후, 육불화우라늄을 산화우라늄 (U3O8) 또는 이산화우라늄 (UO2)으로 변환
농축 정도
저농축 우라늄	U-235 함량 3~5%, 원자력 발전소 연료로 사용
고농축 우라늄	U-235 함량 20% 이상, 핵무기 제조에 사용
활용
원자력 발전	원자로 연료로 사용하여 핵분열 반응 일으킴, 전기 생산
핵무기	핵폭탄의 핵분열 물질로 사용
연구 및 의료	연구용 원자로 의료용 방사성 동위 원소 생산 방사선 치료
안전 및 환경 문제
방사능 위험	방사성 물질이므로 노출 시 건강에 해로움
핵확산 문제	고농축 우라늄은 핵무기 제조에 사용될 수 있어 국제적으로 규제
핵폐기물 처리	농축 과정에서 발생한 핵폐기물은 안전하게 처리해야 함
기타 정보
국제 규제	국제원자력기구 (IAEA) 등에서 핵확산 방지 노력
관련 용어	천연 우라늄 옐로케이크 육불화우라늄 핵연료 핵무기 핵확산 금지 조약

2. 농축 방법

우라늄 농축은 우라늄-235와 우라늄-238의 미세한 질량 차이를 이용하여 물리적인 방법으로 분리하는 과정이다. 막대한 전력과 비용이 소모되며, 많은 천연 우라늄이 낭비된다.^[9] 농축 방법으로는 가스확산법, 열확산법, 원심력법, 전자법 등이 있다.

2. 1. 가스확산법

우라늄을 기체 화합물인 육불화우라늄으로 만들어 다공성 벽을 통해 분리하는 방법이다. 가벼운 기체가 먼저 나오고, 무거운 기체가 뒤에 남는 성질을 이용하여, 같은 과정을 여러 단계 반복하면 성분이 점차 분리된다.^[10]

2. 2. 열확산법

우라늄을 액체 화합물 형태로 동심원통 모양의 용기 사이에 넣는다. 안쪽을 가열하고 바깥쪽을 냉각하면 대류가 발생하며, 가벼운 성분은 고온 쪽에, 무거운 성분은 저온 쪽에 모인다.^[11]

2. 3. 원심력법

우라늄 기체 화합물을 원심분리기에 넣고 고속 회전시켜 큰 원심력을 작용시키면 가벼운 분자는 회전축 가까이에, 무거운 분자는 회전축에서 먼 곳에 모인다.^[12]

2. 4. 전자법

기체 우라늄 화합물에 전자를 방사하여 전하를 띤 이온을 만들고, 전장(電場) 작용으로 그것을 다르게 해 둔 다음, 자장(磁場)에 따른 굴곡법이 질량에 따라 다른 점을 이용하여 분리한다.^[13]

3. 등급

농축 우라늄은 우라늄-235의 농축 정도에 따라 여러 등급으로 나뉜다.

저농축 우라늄(LEU, Low-Enriched Uranium): 우라늄-235 농축도가 20% 미만이다. 주로 원자력 발전소의 원자로 연료로 사용된다.
고순도 저농축 우라늄(HALEU, High-Assay Low-Enriched Uranium): 농축도 5% 이상 20% 미만으로, 4세대 원자로 등에 사용된다.^[2]
고농축 우라늄(HEU, Highly Enriched Uranium): 우라늄-235 농축도가 20% 이상이다. 원자폭탄, 연구용 원자로, 군사용 함정의 원자력 추진 기관 등에 사용된다.^[1]^[3] 핵폭주 위험이 커 취급에 주의해야 하며, 90% 이상 농축도는 무기급(Weapons-grade)으로 분류된다.^[6]

3. 1. 저농축 우라늄 (LEU, Low-Enriched Uranium)

저농축 우라늄(LEU, Low-Enriched Uranium)은 우라늄-235(²³⁵U) 비율이 20% 미만인 농축 우라늄이다.^[1] 경수로에서는 ²³⁵U 비율이 3~5%인 연료를 사용한다.

저농축 우라늄 연료는 주로 원자력 발전소의 원자로 연료로 사용된다. 세계 원자력 발전소의 주류인 경수로에서는 경수가 감속재이자 냉각재 역할을 한다. 경수는 핵분열 연쇄반응에 필요한 중성자를 많이 흡수하기 때문에, 경수로에서 천연 우라늄을 연료로 사용하는 것은 어렵다. 경수로에서 핵분열을 지속하려면 농축도 2%~5% 정도의 저농축 우라늄을 연료로 사용해야 한다. 저농축 우라늄 연료는 천연 우라늄 연료보다 비싸지만, 원자력 발전소의 전반적인 안전성과 경제성 때문에 경수로를 도입하는 국가가 증가하고 있다.

농축도 5% 이상 20% 미만인 것은 HALEU(고순도 저농축 우라늄)로 분류되며 고속로 등의 4세대 원자로에 사용된다.^[2]

3. 2. 고농축 우라늄 (HEU, Highly Enriched Uranium)

고농축 우라늄(HEU, Highly Enriched Uranium)은 우라늄-235의 농축도를 20% 이상으로 높인 우라늄이다.^[1]^[3] 원자폭탄^[3], 연구용 원자로^[4], 군사용 함정의 원자력 추진 기관 등에 사용된다. 핵무기에서 핵분열 연쇄 반응을 일으키는 데 사용되며, 원자력 잠수함 등에서 사용되는 고속 중성자로에도 ²³⁵U 비율이 50%가 넘는 농축 우라늄이 사용된다.

일반적인 상용 원자로에서 사용되는 저농축 우라늄 연료에 비해 상대적으로 핵폭주를 일으키기 쉽기 때문에 취급에 주의가 필요하다. 원자폭탄에는 최소 20% 이상, 실용적으로는 90% 이상의 농축도가 필요하며,^[5] 90% 이상은 무기급(Weapons-grade)이라고도 불린다.^[6]

고농축 우라늄은 핵무기 전용 및 핵테러의 가능성이 있어, 고농축 우라늄을 연료로 사용하던 원자로를 저농축 우라늄 사용으로 전환하는 추세이다.^[7]

또한, 원자력 추진 기관을 갖춘 함정에서 고농축 우라늄이 사용되는 이유는 원자로 가동 기간을 장기화하여 연료 교체를 불필요하게 하기 위해서이다. 원자력 항공모함이나 원자력 잠수함의 핵연료 교체에는 선체를 크게 열어야 하며, 막대한 비용이 필요하지만, 고농축 우라늄을 사용함으로써 함령보다 긴 원자로 가동 기간을 실현하고, 이론적으로 운용 기간 중 핵연료 교체 작업을 불필요하게 한다.

3. 3. 약농축 우라늄 (SEU, Slightly Enriched Uranium)

약농축 우라늄(Slightly Enriched Uranium^영어, SEU)은 우라늄-235의 비율이 0.9%에서 2%인 농축 우라늄이다. SEU는 CANDU형 중수로 등에서 기존의 천연 우라늄을 대체하여 연료로 사용하기 위해 개발되었다.

3. 4. 재처리 우라늄 (RepU, Reprocessed Uranium)

사용후핵연료의 핵연료 재처리 과정에서 나오는 핵연료 주기의 산물이다. 경수로의 사용후핵연료에서 나온 재처리 우라늄은 천연 우라늄보다 ²³⁵U 함량이 약간 더 많아, 천연 우라늄을 연료로 사용하는 원자로에 사용할 수도 있다. 그러나 재처리 우라늄에는 원치 않는 동위원소인 우라늄-236도 포함되어 있다. 우라늄-236은 중성자 포획을 거쳐 중성자를 낭비시켜 ²³⁵U 농축 수준을 더 높여야 하며, 넵투늄-237을 형성한다. 넵투늄-237은 핵폐기물 심층처분 시 반응성이 높아 문제가 될 수 있는 방사성 핵종 중 하나이다.

4. 생산과 수요

러시아는 우라늄의 국가별 생산량으로 볼 때 세계 6위이지만, 세계 우라늄 농축 능력의 약 44%를 차지하는 국가이다. 러시아는 자국 소비뿐 아니라 여러 국가에 농축 우라늄을 수출하고 있으며, 2023년 러시아산 농축 우라늄 주요 수입국은 미국, 중국, 대한민국, 프랑스 순이다.^[8]

참조

_[1] PDF 静岡県用語集 https://www.pref.shi[...]
_[2] 웹사이트 HALEU https://kotobank.jp/[...]
_[3] PDF イランのウラン濃縮問題をどう見るか https://www.nids.mod[...] 防衛研究所ニュース 2010-11
_[4] 논문 KUR運転再開へ向けての現状 https://cir.nii.ac.j[...] 放射化分析 2009
_[5] 이미지 核兵器への転用しきい値 https://atomica.jaea[...] 一般財団法人　高度情報科学技術研究機構
_[6] 웹사이트 (解説)核兵器と原子炉について http://www.clearing.[...] 2006年防衛白書
_[7] PDF ハーグ核セキュリティ・サミットへ向けた核セキュリティ強化への取組み http://www.aec.go.jp[...] 内閣府原子力委員会 2014
_[8] 뉴스 ロシア、濃縮ウランの対米輸出を制限　原発に供給リスク https://jp.reuters.c[...] ロイター 2024-11-16
_[9] 백과사전 농축우라늄 글로벌 세계 대백과
_[10] 백과사전 가스확산법 글로벌 세계 대백과
_[11] 백과사전 열확산법 글로벌 세계 대백과
_[12] 백과사전 원심력법 글로벌 세계 대백과
_[13] 백과사전 전자법 글로벌 세계 대백과