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천연 우라늄

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목차

1. 개요

천연 우라늄은 지구 지각과 해수에 널리 분포하며, 은의 40배, 주석과 동량으로 추정되는 자원이다. 주요 우라늄 자원국은 오스트레일리아, 카자흐스탄, 캐나다 등이며, 채굴된 우라늄 광석은 조제련 과정을 거쳐 옐로케이크로 만들어진다. 옐로케이크는 전환 공장에서 육불화 우라늄으로 전환된 후 농축 과정을 거쳐 핵연료로 가공된다. 한국은 프랑스, 캐나다, 미국 등으로부터 천연 우라늄을 수입한다.

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  • 우라늄 - 농축 우라늄
    농축 우라늄은 핵분열 연쇄 반응을 위해 우라늄-235의 비율을 높인 우라늄으로, 물리적 방법을 통해 분리하며, 우라늄-235 비율에 따라 용도가 구분된다.
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천연 우라늄
개요
천연 우라늄 광석 표본
천연 우라늄 광석 표본
원소 기호U
원자 번호92
표준 원자량238.02891(3)
명명행성 천왕성의 이름을 따서 명명
존재 비율지각 2~4ppm
물리적 성질
밀도 (근처 RT)19.05g/cm3
액체일 때 밀도, 녹는점17.3g/cm3
녹는점1405.3 K (1132.2°C, 2070.0°F)
끓는점4404 K (4131°C, 7468°F)
융해열8.49 kJ/mol
기화열417 kJ/mol
몰 열용량27.665 J/(mol·K)
원자 속성
산화 상태2, 3, 4, 5, 6 (가장 산성적인 산화물)
전기 음성도폴링 척도: 1.38
이온화 에너지1차: 597.6 kJ/mol
2차: 1420 kJ/mol
3차: 2290 kJ/mol
기타 속성
결정 구조사방정계
열전도율27.5 W/(m·K)
자기 정렬상자성
영률208 GPa
전단 탄성 계수83 GPa
벌크 계수100 GPa
푸아송 비0.23
모스 굳기6
비커스 경도1960 MPa
브리넬 경도2400~3430 MPa
CAS 등록 번호7440-61-1
동위 원소
주요 동위 원소238U
235U
234U
자연적인 풍부도238U: 99.2739–99.2752%
235U: 0.7198–0.7202%
234U: 0.0050–0.0059%
반감기238U: 4.4683×10^9년
235U: 7.038×10^8년
234U: 2.455×10^5년
붕괴 모드238U: 알파 붕괴
235U: 알파 붕괴
234U: 알파 붕괴
활용
주요 용도핵 연료
기타 용도탄두, 관성 항법 장치
주의사항
위험성방사성, 유독성

2. 우라늄 자원

우라늄은 지구상의 지각이나 해수 중에 널리 분포하며, 은의 40배, 주석과 동량이 존재한다고 추정된다. 확인 가능한 가채 매장량은 547만 톤으로 추정된다(자원에너지청 시산, 2007년 기준 U3O8 kg당 130USD 채굴 비용). 2007년도 우라늄의 세계 수요는 약 7만 톤, 2010년도 우라늄의 평균 스폿 가격은 44USD였다.[4]

주요 우라늄 자원국은 매장량이 많은 순서대로 오스트레일리아, 카자흐스탄, 캐나다, 남아프리카, 미국 등이다.

우라늄(옐로우 케이크) 가격은 1980년 1 lb당 32.9달러에서 1990년 12.55USD, 2001년 7.92USD까지 하락했다. 이후 상승세로 돌아서 2010년에는 가중 평균 가격이 44USD가 되었고, 선물은 50USD로 거래되고 있다.[5]

2. 1. 조선민주주의인민공화국의 우라늄 매장량

조선민주주의인민공화국은 채굴 가능한 우라늄 매장량이 약 400만 톤으로 추정되는데(대한민국 통일부 및 일본 원자력 산업 회의 추정), 이는 확인 매장량 1위인 오스트레일리아를 넘어설 가능성이 있는 양이다.[4]

2. 2. 일본의 우라늄 자원 개발

일본에서는 오카야마현·돗토리현의 닌교토게광상과 기후현토키시의 토노 광상이 발견되었지만, 자원량 과소로 인해 개발되지 않았다.[4] 일본 국내의 원자력 발전소에서 사용하는 우라늄은 전량 일본 국외에서 수입되고 있다. 또한 일본 자본에 의한 해외 우라늄 광산 개발도 이루어지고 있으며, 그 중에서 가장 매장량이 많은 오스트레일리아의 시추권이 에너지 수요의 증가로 격렬한 쟁탈전이 벌어지고 있다.

3. 우라늄의 조제련

채굴된 우라늄 광석은 잘게 부순 후, 황산으로 용해하여 6가 우라늄 침출액으로 만든다. 광석이 석회암을 많이 포함하는 등 황산으로 효율이 좋지 않은 경우에는 탄산나트륨과 탄산수소나트륨을 사용하기도 한다. 또한, 광산의 지질 구조에 따라 우라늄 광석이 존재하는 지층에 추출액을 직접 주입하여 우라늄이 녹아든 침출액을 퍼내는 용매 추출법도 사용된다. 침출액은 용매 추출, 이온 교환, 또는 침전법(습식 정련)을 통해 불순물을 제거하고, 우라늄 함유율을 60% 정도로 높인 우라늄 정광, 즉 옐로케이크가 된다.

3. 1. 주요 우라늄 광석

광석명화학식
우라늄석(uraninite)UO2
피치블렌드(pitchblende)덩어리 형태의 우라늄석
코핀석(coffinite)U(SiO4)1-x(OH)4x
데이비드석(davidite)
카르노석(carnotite)K2(UO2)2V2O8・3H2O
오토나이트(autunite)Ca(UO2)2(PO4)2・10-12H2O
닌교석(ningyoite)CaU(PO4)2・1-2H2O
프랑스빌석(francevillite)
츠야문석(tyuyamunite)
브래너석(brannerite)(U,Ca,Ce)(Ti,Fe)2O6


3. 2. 옐로케이크 (Yellowcake)

채굴된 우라늄 광석은 잘게 부순 후 황산으로 용해하여 6가 우라늄 침출액으로 만든다. (석회암을 많이 포함하는 광석의 경우에는 탄산나트륨과 탄산수소나트륨을 사용하기도 한다.) 우라늄 광석이 존재하는 지층에 추출액을 직접 주입하여 우라늄이 녹아든 침출액을 퍼내는 용매 추출법도 사용된다. 침출액은 용매 추출, 이온 교환, 또는 침전법(습식 정련)으로 불순물을 제거하고 우라늄 함유율을 60% 정도로 높인 우라늄 정광이 되는데, 이를 '''옐로케이크'''라고 부른다. 옐로케이크는 조제련 공장의 최종 제품이며, 단일 물질이 아니라 중우라늄산나트륨, 중우라늄산암모늄, 함수 사산화 우라늄 등 제련 공정에 따라 성분이 다르다.

침출액에 수산화나트륨을 첨가하면 중우라늄산나트륨(Na2U2O7)이 침전되고, 암모니아를 첨가하면 중우라늄산암모늄((NH4)2U2O7)이 침전된다.

  • 2UO2(SO4) + 6NaOH → Na2U2O7 + 2Na2SO4 + 3H2O
  • 2UO2(SO4) + 6NH4OH → (NH4)2U2O7 + 2(NH4)2SO4 + 3H2O
  • UO2(SO4) + H2O2 + 2H2O → UO4・2(H2O) + H2SO4


옐로케이크


이러한 침전을 탈수하여 플레이크 형태로 만든 것이 옐로케이크이다. 옐로케이크 내 우라늄은 반드시 6가가 아니며, 공정의 온도 조건 등에 따라 노란색, 오렌지색, 녹색, 갈색 등 다양한 색을 띤다. 현재 옐로케이크라고 불리는 것은 역사적으로 최초의 제련 공정에서 만들어진 우라늄 정광이 선명한 노란색이었기 때문이다.

옐로케이크는 드럼통에 담겨 전환 공장으로 출하되며, 우라늄 광석은 옐로케이크 상태로 거래된다. 국제 거래에서는 옐로케이크에 포함된 우라늄을 삼산화 우라늄(U3O8)으로 환산하여 1파운드당 가격으로 매매가 이루어진다.

세계 조제련 공장의 대부분은 광산에 병설되어 있으며, 일본 국내에는 공장이 없다. (일본 국내에서는 과거 우라늄 광에서 옐로케이크 정련이 이루어졌지만, 1970년대에 중간 과정으로서의 옐로케이크를 거치지 않고 사불화 우라늄을 직접 제조하는 방식이 확립되었다[6]).

4. 우라늄의 전환

옐로우 케이크에서 육불화 우라늄을 제조하는 과정을 전환이라고 하며, 전환을 수행하는 공장을 전환 공장이라고 한다. 실제로는 우라늄 정광의 정련도 이루어진다. 옐로우 케이크를 질산으로 용해하고, 트리부틸 인산(TBP) 등을 사용하여 불순물을 제거한 후, 탈질을 통해 삼산화 우라늄을 생성한다.


  • UO2(NO3)26H2O → UO3 + 2NO2 + 1/2O2 + 6H2O


삼산화 우라늄은 수소를 사용하여 환원하여 이산화 우라늄으로 만든 후, 유동층 등의 장치에서 불화 수소와 반응시켜 사불화 우라늄으로 만들고, 프레임 타워 등을 사용하여 불소와 반응시켜 육불화 우라늄을 제조한다.

  • UF4 + F2 → UF6


사불화 우라늄은 녹색 고체이기 때문에 그린 솔트라고 불리기도 한다. 다만 전환 공장 내에서만 취급하기 때문에, 일반적으로 그린 솔트를 접할 기회는 없다. 전환 공장의 최종 제품인 순도를 높인 육불화 우라늄 가스는 48Y 실린더(직경 약 1.4m, 길이 약 3.8m의 강철 원통 용기)라고 불리는 수송 용기에 봉입되어 농축 공장으로 출하된다. 전환 공장은 한국에는 없다.

5. 우라늄 농축

우라늄에는 질량수 238과 235의 동위 원소가 있으며, 채굴된 우라늄에는 우라늄-238이 약 99.3%, 우라늄-235가 약 0.7% 포함되어 있다. 이 중 우라늄-235는 핵분열하는 방사성 동위 원소이며, 원자로에서 핵연료로 사용되는 외에, 핵무기의 주요 재료로 사용된다.

21세기 초 현재, 세계의 원자력 발전의 주류는 경수로이며, 채굴된 우라늄은 경수로에서 사용하기 위해 농축 공장에서 우라늄-235의 비율을 높여 농축 우라늄으로 만든다. 농축하지 않은 우라늄을 천연 우라늄이라고 부른다. 전환 공장에서 전환된 순도를 높인 우라늄은 농축 공장으로 보내져, 가스 확산법 또는 원심 분리법으로 우라늄-238에 대한 우라늄-235의 비율(농축도)을 높인다. 이 과정을 농축이라고 부른다. 일본에는 로카쇼촌에 농축 공장이 있다. 또한, 일본 국내에서 우라늄을 구입하는 경우에는 전환 공장에서 육불화 우라늄을 구입하거나, 일본 국외의 농축 공장에서 농축된 육불화 우라늄을 구입하거나, 또는 해외의 재전환 공장에서 이산화 우라늄으로 만든 것을 구입하는 등의 방법을 취하게 된다.

6. 핵연료 가공

우라늄에는 질량수 238과 235의 동위 원소가 있으며, 채굴된 우라늄에는 우라늄-238이 약 99.3%, 우라늄-235가 약 0.7% 포함되어 있다. 이 중 우라늄-235는 핵분열하는 방사성 동위 원소이며, 원자로에서 핵연료로 사용된다.[1]

21세기 초 현재, 세계의 원자력 발전의 주류는 경수로이며, 채굴된 우라늄은 경수로에서 사용하기 위해 농축 공장에서 우라늄-235의 비율을 높여 농축 우라늄으로 만든다. 농축하지 않은 우라늄을 천연 우라늄이라고 부른다.[1]

천연 우라늄을 그대로 핵연료로 사용하는 흑연로와 중수로의 경우에는 전환 공장에서 재전환 공장으로 보내져, 천연 우라늄의 육불화 우라늄으로부터 핵연료용 금속 우라늄 봉이나 이산화 우라늄의 연료 펠릿이 제조된다.[1]

경수로에 사용하는 경우에는 농축 공장에서 농축 우라늄으로 가공되어, 30B 실린더(직경 30 인치 (약 76cm)), 길이 약 2m의 강철 이중 원통 용기)라고 불리는 수송 용기에 봉입되어 재전환 공장으로 출하된다.[1]

재전환 공장(ADU법)에서는, 30B 실린더의 밸브를 열어 가열함으로써 UF6를 꺼내어, 물과 반응시켜 UO2F2를 생성한다. 이 UO2F2에 암모니아를 더하여 중우라늄산 암모늄 (ADU, (NH4)2U2O7)을 만든다.[1]


  • 2UO2F2 + 6NH4OH → (NH4)2U2O7 + 4NH4F + 3H2O


이 ADU를 수소로 환원시킴으로써 이산화 우라늄 분말을 생성한다.[1]

이산화 우라늄 분말은 연료 가공 공장으로 넘겨져 연료 펠릿으로 가공되어, 지르칼로이 등의 합금으로 만들어진 연료 피복관에 봉입된다. 이 피복관을 묶어 연료 집합체가 만들어진다.[1]

7. 옐로케이크의 보장 조치

과거에는 옐로케이크는 IAEA의 사찰 대상이 아니었으며, 옐로케이크를 가공하여 순도를 높인 육불화 우라늄 이후부터 사찰 대상이었다. 그러나 이라크 핵무기 개발 의혹을 발단으로 포괄적 안전 조치 협정에 추가된 의정서(추가의정서 - INFCIRC/540 -)가 발효된 결과, 옐로케이크에 대해서도 취급량이 10ton을 초과하는 경우에는 사찰 대상이 되었다.

8. 수송 사고

1977년 9월 27일, 미국 콜로라도주 스프링필드의 고속도로 287호선에서 옐로 케이크 18.3ton을 실은 트레일러가 도로를 가로지르던 말 3마리와 충돌하여 전복되었다. 옐로 케이크는 55갤런 강철 드럼통 50개에 담겨 있었는데, 충돌 충격으로 32개가 쏟아졌고 그중 17개의 뚜껑이 열렸다. 트레일러에 남은 18개 중 12개의 뚜껑도 열려 총 5.4ton의 옐로 케이크가 밖으로 새어 나왔다. 새어 나온 옐로 케이크 중 2.2ton는 트레일러 안에 남아 있었고, 나머지 3.1ton가 278m2 - 371m2 넓이로 땅에 흩어졌다.

사고 직후, 트레일러와 옐로 케이크가 쏟아진 곳을 방수용 플라스틱 시트로 덮어 가루가 날리는 것을 막았다. 9월 30일부터는 오염 제거 작업을 위해 임시 건물을 짓고, 진공 청소기로 오염된 흙을 빨아들였다.

10월 10일, 통행 제한이 풀렸다. 경찰관과 작업자 27명을 검사한 결과, 몸 안에 쌓인 옐로 케이크의 양은 건강에 해를 끼칠 정도는 아니었다고 한다.

9. 한국의 우라늄 수입

재무성 무역 통계 품목 코드 2844.10 (천연 우라늄 및 그 화합물, 천연 우라늄 또는 그 화합물을 함유하는 합금, 디스퍼전, 도자기 제품 및 혼합물) 천 엔 단위 수입액
수입국＼각 연도 1-12월1988년1992년1995년1997년2000년2005년2010년2016년
프랑스62.92억엔47106.82억엔52400.25억엔45018.54억엔37096.05억엔1399.04억엔-105.45억엔
캐나다8731.24억엔45013.77억엔9184.85억엔41942.97억엔74639.48억엔20569.04억엔7358.83억엔-
미국15516.88억엔1896.59억엔7350.92억엔1502.8억엔1307.05억엔1340.3억엔479.8억엔4.28억엔


참조

[1] 웹사이트 Nuclear Fuel Cycle Overview http://www.world-nuc[...] World Nuclear Association 2014-10
[2] 웹사이트 Design Parameters for a Natural Uranium UO3- or U3O8-Fueled Nuclear Reactor http://www.ornl.gov/[...]
[3] 서적 Modern Nuclear Chemistry http://oregonstate.e[...]
[4] 간행물 エネルギー白書 2009年版 https://web.archive.[...] 経済産業省、資源エネルギー庁 2011-08-25
[5] 간행물 Uranium Marketing Annual Report 2010 https://web.archive.[...] US EIA 2011-08-25
[6] 서적 鳥取県大百科事典
[7] 웹인용 Nuclear Fuel Cycle Overview http://www.world-nuc[...] World Nuclear Association 2014-10


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