맨위로가기

플루토늄 동위 원소

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

플루토늄 동위 원소는 우라늄 연료를 장기간 사용할 때 생성되며, 핵무기 및 원자력 발전에 중요한 역할을 한다. 주요 동위 원소로는 플루토늄-238, 플루토늄-239, 플루토늄-240, 플루토늄-241, 플루토늄-242 등이 있으며, 각 동위 원소는 반감기, 붕괴 방식, 핵분열성 여부 등에서 차이를 보인다. 특히 플루토늄-239는 핵분열성 물질로 핵무기 제조와 원자력 발전에 사용되며, 플루토늄-240은 자발 핵분열률이 높아 핵무기 성능에 영향을 미친다. 플루토늄 동위 원소는 핵폐기물로도 생성되며, 긴 반감기로 인해 장기간 보관 및 관리가 필요하다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 플루토늄 동위 원소 - 플루토늄-239
    플루토늄-239는 핵분열 용이성으로 핵무기나 원자력 발전 연료로 쓰이는 방사성 동위 원소로, 우라늄-238이 중성자를 흡수해 생성되며 가장 작은 임계 질량을 갖지만, 플루토늄-240 혼합은 핵무기 효율을 낮추고 인체 흡입 시 발암 물질이 될 수 있다.
  • 플루토늄 - 헤스페륨
  • 플루토늄 - 플루토늄 이야기 도움이 되는 친구 플루토군
    플루토늄 이야기 도움이 되는 친구 플루토군은 일본 원자력 연구 개발 기구가 플루토늄의 위험성을 알리고 원자력에 대한 이해를 돕기 위해 제작한 홍보 캐릭터로, JAEA 홍보 시설인 아톰 플라자에서 활용되며 트위터 봇으로도 활동하면서 플루토늄에 대한 정보 접근성을 높이는 데 기여했다.
  • 원소별 동위 원소 목록 - 탄소 동위 원소
    탄소 동위원소는 양성자 수는 6개로 같지만 중성자 수가 다른 탄소의 여러 형태로, 자연계에는 안정 동위원소인 탄소-12, 탄소-13과 방사성 동위원소인 탄소-14가 존재하며, 각각 원자 질량 단위 기준, 핵자기 공명 분광법, 방사성탄소연대측정법 등에 활용되고 비율 분석은 다양한 학문 분야에서 과거 환경 연구에 사용된다.
  • 원소별 동위 원소 목록 - 베릴륨 동위 원소
    베릴륨 동위 원소는 자연계에 주로 존재하는 안정 동위원소 베릴륨-9와 방사성 동위원소로 구성되며, 베릴륨-7과 베릴륨-10은 우주선에 의해 생성되어 연구에 활용되고, 베릴륨은 안정 동위원소가 하나뿐인 특이한 원소이다.
플루토늄 동위 원소
플루토늄 동위 원소 개요
원소 기호Pu
양성자 수94
핵종 정보
Pu-238na: 미량
hl: 87.7년
dm2: SF
perc2:
pn2:
ps2: –
dm1: α
perc1:
link1: U-234
pn1: 234
ps1: U
Pu-239na: 미량
hl: 2.411×10^4년
dm1: α
perc1:
link1: U-235
pn1: 235
ps1: U
dm2: SF
perc2:
pn2:
ps2: –
Pu-240na: 미량
hl: 6.561×10^3년
dm1: α
perc1:
link1: U-236
pn1: 236
ps1: U
dm2: SF
perc2:
pn2:
ps2: –
Pu-241na: 합성
hl: 14.329년
dm1: b-
perc1:
link1: Am-241
pn1: 241
ps1: Am
dm2: α
perc2:
link2: U-237
pn2: 237
ps2: U
dm3: SF
perc3:
pn3:
ps3: –
Pu-242na: 합성
hl: 3.75×10^5년
dm1: α
perc1:
link1: U-238
pn1: 238
ps1: U
dm2: SF
perc2:
pn2:
ps2: –
Pu-244na: 미량
hl: 8.00×10^7년
dm1: α
perc1:
link1: U-240
pn1: 240
ps1: U
dm2: SF
perc2:
pn2:
ps2: –
주석

2. 플루토늄 동위원소



플루토늄 동위 원소는 우라늄 연료를 장기간 사용할 때 생성된다.[15] 고연소도 사용후 핵연료의 경우, 높은 플루토늄 동위 원소의 농도는 무기 등급 플루토늄을 얻기 위해 재처리된 저연소도 연료보다 높을 것이다.


  • '''플루토늄-238(238Pu)'''은 반감기가 87.74년이며[11], 알파 입자를 방출한다. 방사성 동위원소 열전 발전기용 순수 Pu는 넵투늄-237에 중성자를 포획하여 생성되지만,[11] 사용후 핵연료에서 추출된 플루토늄은 Np, Cm의 알파 붕괴, 또는 (n,2n) 반응에서 생성되어 최대 몇 퍼센트의 Pu를 함유할 수 있다.[11] 일반적인 원자로에서 생성되는 플루토늄에는 소량의 Pu가 포함되어 있다. 그러나 동위 원소 분리는 다른 방법에 비해 상당히 비싸다. U가 중성자를 포획하면 흥분 상태의 U로 변환된다. 흥분된 U 핵의 일부는 핵분열을 일으키지만, 일부는 감마선을 방출하여 U의 바닥 상태로 붕괴된다. 추가적인 중성자 포획은 U를 생성하며, 이는 반감기가 7일로, Np로 붕괴된다. 거의 모든 넵투늄이 이런 방식으로 생성되거나 빠르게 붕괴되는 동위 원소로 구성되어 있기 때문에, 거의 순수한 Np를 얻을 수 있다. 넵투늄을 화학적으로 분리한 후, Np는 다시 원자로 중성자에 의해 조사되어 Np로 변환되며, 이는 반감기가 2일로, Pu로 붕괴된다.

원자로 내에서 넵투늄-237이 중성자를 흡수할 때 극미량의 일부가 2개의 중성자를 방출하여 넵투늄-236이 되고 이 중 12.5%가 236Pu으로 붕괴된다. 넵투늄-236 자체도 극미량 생성되는데다 반감기도 15만 4천년으로 매우 길므로 이 동위체는 원자로에서 극미량 생성되기 때문에 그리 중요한 동위체는 아니다. 플루토늄-238은 1kg당 567W의 에너지를 내뿜기 때문에 원자력 전지의 원료가 된다. 하지만 원자로내에서는 239Pu와 240Pu도 섞여 있기 때문에 반드시 분리해야 하며, 동위원소 분류법으로 분리되어야 되기 때문에 가격도 비싸므로 일반 원자로 재처리에서는 뽑아내지 않는다. 대신 실험용 원자로에서 플루토늄-238이 잘 생성될 수 있는 동위체인 우라늄-236이나 넵투늄-237을 우라늄-235와 섞어서 만든 연료를 태운후에 얻는다. 감마선이 거의 나오지 않으며 자발핵분열 비율도 5억분의 1의 비율로 매우 낮아 중성자선도 거의 나오지 않아 질좋고 가벼운 원자력 전지로 쓰일 수 있다. 반감기는 87.7년이므로 긴 시간 동안 안정적으로 에너지원으로 이용되고 있다.

U에서 Pu의 생성
원소동위 원소열 중성자
단면적		붕괴 모드반감기
U23599α703,800,000년
U2365.3α23,420,000년
U237—β6.75일
Np237165 (포획)α2,144,000년
Np238—β2.11일
Pu238—α87.7년


  • '''플루토늄-239(239Pu)'''는 반감기가 24,100년이다. Pu와 Pu는 핵분열성 물질이다.[15] 즉, 그들의 핵은 느린 열 중성자에 의해 핵분열을 일으켜 에너지를 방출하고, 감마선 및 더 많은 중성자를 방출함으로써 분열될 수 있다.[15] 따라서, 이는 핵연쇄 반응을 지속할 수 있으며, 이는 핵무기 및 원자로에 적용될 수 있다.[15] Pu는 원자로에서 우라늄-238에 중성자를 조사하여 합성되며, 이후 연료의 핵연료 재처리를 통해 회수된다.[15] 추가적인 중성자 포획은 연속적으로 더 무거운 동위원소를 생성한다.[15] Pu의 핵분열 단면적은 열 중성자에 대해 747.9 바른이며, 활성화 단면적은 270.7바른이다(이 비율은 4번의 중성자 포획당 약 11번의 핵분열에 근접한다).[15]

Pu는 핵무기 생산과 일부 핵 반응로에서 에너지원으로 사용되는 세 가지 핵분열성 물질 중 하나이다. 다른 핵분열성 물질은 우라늄-235와 우라늄-233이다. Pu는 자연계에 거의 존재하지 않는다. 우라늄-238에 중성자를 충돌시켜 만들어진다. 우라늄-238은 대부분의 반응로 연료에 상당량 존재하므로 Pu는 이러한 반응로에서 지속적으로 생성된다. Pu는 중성자에 의해 스스로 분열하여 에너지를 방출할 수 있으므로 Pu는 핵 반응로에서 에너지 발생의 일부를 제공한다.

원자로에서 우라늄-238이 중성자를 먹고 B-붕괴를 하여 생성되는게 대다수이다.(넵투늄-237과 플루토늄-238이 중성자를 먹고 생성되는 경우도 있지만 비율이 낮다.) 열중성자로에서의 핵분열 비율이 64~76%, 고속중성자(자원중성자)로에서의 핵분열 비율도 62~63%로 높기 때문에 핵연료와 핵무기로 이용된다. 실제 원자로(경수로)에서도 플루토늄-239의 핵분열로 인해 생산된 전력량은 원자로 전체에서 생산된 전력의 28%의 비율을 차지한다. 플루토늄-239의 임계질량은 13kg이며 중성자 반사체를 입히면 4kg까지 줄일 수 있다. 240Pu이 50% 섞이게 되면 임계질량은 2.4 kg 이하로 줄어들게 되며 238Pu이 섞이면 950g까지 줄어들게 된다. 다만 임계질량이 줄면서 핵무기의 효율과 위력이 약해지므로 핵무기 제조시 이들 동위체를 제거해야 한다. 반감기가 24110년이나 되고 1kg당 1.9W의 강력한 방사선을 내뿜기 때문에 재처리를 꼭 해야만 하는 동위체이나 핵무기 제조 우려 때문에 일부 국가를 제외하고는 여러 국가들이 제한받고 있다. 하지만 보관기간이 30만년이나 필요하고 이 기간 동안 안전하게 보관하기란 사실상 불가능하므로 재처리를 하여 핵연료로 소진해야 한다. 자연계에서 우라늄-238의 자발핵분열로 인해 튀어나오는 중성자로 인해 소량 생산되는데 농축된 우라늄 광석에서는 20억분의 1의 비율로 존재하기도 한다.

U에서 Pu의 생성[16]
원소동위 원소열 중성자 포획
단면적 (barn)		열 중성자 핵분열
단면적 (barn)		붕괴 모드반감기
U2382.685·10α4.47 x 10 년
U2392215β23 분
Np239301β2.36 일
Pu239271750α24,110 년



238U에서 240Pu, 241Pu 및 242Pu의 생성
동위 원소열 중성자
단면적[15]
(바른)		붕괴
모드		반감기
포획핵분열
238U2.6830.000α4.468 x 109년
239U20.5714.11β23.45분
239Np77.03–β2.356일
239Pu270.7747.9α24,110년
240Pu287.50.064α6,561년
241Pu363.01012β14.325년
242Pu19.160.001α373,300년


  • '''플루토늄-240(240Pu)'''은 자발적인 핵분열률이 높아 플루토늄의 배경 중성자 방사선을 증가시킨다.[15] 플루토늄은 Pu의 비율에 따라 등급이 매겨진다: 무기급 (<7%), 연료급 (7–19%), 그리고 원자로급 (>19%).[15] 낮은 등급은 폭탄과 열 중성자 원자로에는 덜 적합하지만, 고속 중성자 원자로의 연료로 사용될 수 있다.[15] 원자로의 핵폐기물에서 대량으로 생산되며 반감기는 6560년이나 되기 때문에 위험한 핵 폐기물로 분류된다. 1kg당 6.9W의 강한 방사선을 내뿜으며 보관기간도 10만년이나 된다. 핵무기 제조시 플루토늄-240의 비율은 7%이하로 줄여야 한다. 플루토늄-240이 섞여 있으면 임계질량이 낮아지지만 임계질량이 낮아지는만큼 핵무기가 폭발할시의 내부의 중성자 통제력이 약화되고 효율도 매우 낮아지기 때문에 비경제적으로 된다. 또한 플루토늄-240은 핵분열을 못하므로 중성자 경제력을 약화하므로 핵무기의 폭발력을 더욱 약화시킨다. 열중성자로에서의 핵분열 비율이 73~75%, 고속중성자(자원중성자)로에서의 핵분열 비율도 73~75%로 중성자 선속에 관계없이 비슷하기 때문에 좋은 핵분열 연료이다. 실제 원자로에서도 0.9%의 비율이 이 동위체의 핵분열로 인해 에너지를 생산하고 있다.

  • '''플루토늄-241(241Pu)'''은 핵분열성이지만, 반감기가 14년으로 아메리슘-241로 베타 붕괴한다.[15] 반감기가 14.29년으로 약한 베타선을 내뿜기 때문에 보관하기 용이하지만 붕괴 생성물인 241Am은 강한 알파선에 감마선도 내뿜으므로 위험하다. 원자로에서 대량으로 생산되고 있으며 241Am은 차세대 원자력 전지로 주목을 받고 있지만 감마선을 일정량 내뿜기 때문에 전지 개발에 제한을 받을 것이다. 임계질량은 12kg이며 중성자 반사제를 이용하면 3.5kg까지 줄일 수 있으나 반감기가 짧아서 핵무기로 이용하지는 않는다.

  • '''플루토늄-242(242Pu)'''는 핵분열성이 아니며, 비옥하지도 않다 (핵분열성이 되기 위해서는 3개의 중성자를 더 포획해야 함).[15] 또한, 낮은 중성자 포획 중성자 단면적을 가지며, 가벼운 동위원소보다 더 긴 반감기를 가진다.[15]

  • '''플루토늄-244(244Pu)'''는 플루토늄의 가장 안정한 동위원소로, 반감기가 약 8천만 년이다. Pu는 반감기가 짧기 때문에 원자로에서 크게 생성되지 않지만, 핵폭발에서는 일부 생성된다.[12] Pu는 성간 공간에서 발견되었으며[12], 비원시 방사성 동위원소 중 두 번째로 긴 반감기를 가진다.[12] 원자로에서 플루토늄-243이 중성자를 하나 흡수하여 극미량 생산되며 자연계에서 극미량 존재한다. 태양계의 연대가 45억 6720만년이며 반감기가 8000만년이나 되기 때문에 자연계에 극미량 존재할 수 있다. 태양계의 역사동안 이 동위체는 반감기의 57배나 되는 긴 기간 동안 붕괴했으며 처음 양의 15경분의 1까지 줄어들었다. 즉 자연계에 플루토늄-244는 매우 극미량이다. 이보다 반감기가 짧은 나이오븀-92(반감기 3472만년)은 자연계에 전혀 존재하지 않는다. 자발핵분열의 비율이 0.123%나 되기 때문에 강한 중성자선을 내뿜지만 반감기가 8000만년이나 되기 때문에 위험도는 낮은 편이며, 원자로에서도 미량 생성되기 때문에 위험한 동위체로 분류되지 않는다.


그 외에도 241Am을 핵폐기물 저장고에 보관한다면 8천년 이상 보관해야한다. 핵폐기물의 하나로써 핵분열을 하지 못하며 다음 동위체인 아메리슘-243도 핵분열을 하지 못한다. 따라서 이 동위체는 핵폐기물로 분류되며 연구용으로도 쓰이며 퀴륨-244의 생산에 이용되기도 한다. 원자로에서 소량 생산되지만 위험한 플루토늄-243은 1kg당 0.11W의 강한 방사선을 내뿜으며 반감기는 37만 3300년이나 되기 때문에 200만년 이상 보관해야한다.(원자로에서 미량 생성되기 때문에 보관 기간을 반감기의 10배 이상으로 확대하지는 않았다.) 또한 원자로에서 극미량 생산되며 243Am으로 붕괴된다. 반감기는 4.956시간이다.

핵종
기호		Z(p)N(n)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식[17][18]붕괴 생성물[19]핵 스핀전형적 동위 원소 구성비
(몰 분율)		자연적 구성비 변동 범위
(몰 분율)
228Pu94134228.03874(3)1.1(+20-5) 초α (99.9%)
β+ (0.1%)		224U228Np0+
229Pu94135229.04015(6)120(50) 초α225U3/2+#
230Pu94136230.039650(16)1.70(17) 분α226U0+rowspan=2|rowspan=2|
β+ (드묾)230Np
231Pu94137231.041101(28)8.6(5) 분β+231Np3/2+#rowspan=2|rowspan=2|
α (드묾)227U
232Pu94138232.041187(19)33.7(5) 분ε (89%)232Np0+rowspan=2|rowspan=2|
α (11%)228U
233Pu94139233.04300(5)20.9(4) 분β+ (99.88%)233Np5/2+#rowspan=2|rowspan=2|
α (0.12%)229U
234Pu94140234.043317(7)8.8(1) 시간ε (94%)234Np0+rowspan=2|rowspan=2|
α (6%)230U
235Pu94141235.045286(22)25.3(5) 분β+ (99.99%)235Np(5/2+)rowspan=2|rowspan=2|
α (0.0027%)231U
236Pu94142236.0460580(24)2.858(8) 년α232U0+rowspan=4|rowspan=4|
SF (1.37×10−7%)다양
CD (2×10−12%)208Pb28Mg
β+β+ (드묾)236U
237Pu94143237.0484097(24)45.2(1) 일ε237Np7/2-rowspan=2|rowspan=2|
α (0.0042%)233U
237m1Pu145.544(10) keV180(20) msIT237Pu1/2+
237m2Pu2900(250) keV1.1(1) µs
238Pu94144238.0495599(20)87.7(1) 년α234U0+rowspan=4|rowspan=4|
SF (1.9×10−7%)다양
CD (1.4×10−14%)206Hg32Si
CD (6×10−15%)180Yb30Mg28Mg
239Pu[20][21]94145239.0521634(20)2.411(3)×104 년α'235U'1/2+rowspan=2|rowspan=2|
SF (3.1×10−10%)다양
239m1Pu391.584(3) keV193(4) ns7/2-
239m2Pu3100(200) keV7.5(10) µs(5/2+)
240Pu94146240.0538135(20)6.561(7)×103 년α236U0+rowspan=3|rowspan=3|
SF (5.7×10−6%)다양
CD (1.3×10−13%)206Hg34Si
241Pu[20]94147241.0568515(20)14.290(6) 년β- (99.99%)241Am5/2+rowspan=3|rowspan=3|
α (0.00245%)237U
SF (2.4×10−14%)다양
241m1Pu161.6(1) keV0.88(5) µs1/2+
241m2Pu2200(200) keV21(3) µs
242Pu94148242.0587426(20)3.75(2)×105 년α'238U'0+rowspan=2|rowspan=2|
SF (5.5×10−4%)다양
243Pu[20]94149243.062003(3)4.956(3) 시간β-243Am7/2+
243mPu383.6(4) keV330(30) ns(1/2+)
244Pu[22]94150244.064204(5)8.00(9)×107 년α (99.88%)240U0+미량rowspan=3|
SF (0.123%)다양
β-β- (7.3×10−9%)244Cm
245Pu94151245.067747(15)10.5(1) 시간β-245Am(9/2-)
246Pu94152246.070205(16)10.84(2) 일β-246mAm0+
247Pu94153247.07407(32)#2.27(23) 일β-247Am1/2+#


2. 1. 주요 동위원소



플루토늄 동위 원소는 우라늄 연료를 장기간 사용할 때 생성된다.[15] 고연소도 사용후 핵연료의 경우, 높은 플루토늄 동위 원소의 농도는 무기 등급 플루토늄을 얻기 위해 재처리된 저연소도 연료보다 높을 것이다.

  • '''플루토늄-238(238Pu)'''은 반감기가 87.74년이며[11], 알파 입자를 방출한다. 방사성 동위원소 열전 발전기용 순수 Pu는 넵투늄-237에 중성자를 포획하여 생성되지만,[11] 사용후 핵연료에서 추출된 플루토늄은 Np, Cm의 알파 붕괴, 또는 (n,2n) 반응에서 생성되어 최대 몇 퍼센트의 Pu를 함유할 수 있다.[11] 일반적인 원자로에서 생성되는 플루토늄에는 소량의 Pu가 포함되어 있다. 그러나 동위 원소 분리는 다른 방법에 비해 상당히 비싸다. U가 중성자를 포획하면 흥분 상태의 U로 변환된다. 흥분된 U 핵의 일부는 핵분열을 일으키지만, 일부는 감마선을 방출하여 U의 바닥 상태로 붕괴된다. 추가적인 중성자 포획은 U를 생성하며, 이는 반감기가 7일로, Np로 붕괴된다. 거의 모든 넵투늄이 이런 방식으로 생성되거나 빠르게 붕괴되는 동위 원소로 구성되어 있기 때문에, 거의 순수한 Np를 얻을 수 있다. 넵투늄을 화학적으로 분리한 후, Np는 다시 원자로 중성자에 의해 조사되어 Np로 변환되며, 이는 반감기가 2일로, Pu로 붕괴된다.

원자로 내에서 넵투늄-237이 중성자를 흡수할 때 극미량의 일부가 2개의 중성자를 방출하여 넵투늄-236이 되고 이 중 12.5%가 236Pu으로 붕괴된다. 넵투늄-236 자체도 극미량 생성되는데다 반감기도 15만 4천년으로 매우 길므로 이 동위체는 원자로에서 극미량 생성되기 때문에 그리 중요한 동위체는 아니다. 플루토늄-238은 1kg당 567W의 에너지를 내뿜기 때문에 원자력 전지의 원료가 된다. 하지만 원자로내에서는 239Pu와 240Pu도 섞여 있기 때문에 반드시 분리해야 하며, 동위원소 분류법으로 분리되어야 되기 때문에 가격도 비싸므로 일반 원자로 재처리에서는 뽑아내지 않는다. 대신 실험용 원자로에서 플루토늄-238이 잘 생성될 수 있는 동위체인 우라늄-236이나 넵투늄-237을 우라늄-235와 섞어서 만든 연료를 태운후에 얻는다. 감마선이 거의 나오지 않으며 자발핵분열 비율도 5억분의 1의 비율로 매우 낮아 중성자선도 거의 나오지 않아 질좋고 가벼운 원자력 전지로 쓰일 수 있다. 반감기는 87.7년이므로 긴 시간 동안 안정적으로 에너지원으로 이용되고 있다.

U에서 Pu의 생성
원소동위 원소열 중성자
단면적		붕괴 모드반감기
U23599α703,800,000년
U2365.3α23,420,000년
U237—β6.75일
Np237165 (포획)α2,144,000년
Np238—β2.11일
Pu238—α87.7년


  • '''플루토늄-239(239Pu)'''는 반감기가 24,100년이다. Pu와 Pu는 핵분열성 물질이다.[15] 즉, 그들의 핵은 느린 열 중성자에 의해 핵분열을 일으켜 에너지를 방출하고, 감마선 및 더 많은 중성자를 방출함으로써 분열될 수 있다.[15] 따라서, 이는 핵연쇄 반응을 지속할 수 있으며, 이는 핵무기 및 원자로에 적용될 수 있다.[15] Pu는 원자로에서 우라늄-238에 중성자를 조사하여 합성되며, 이후 연료의 핵연료 재처리를 통해 회수된다.[15] 추가적인 중성자 포획은 연속적으로 더 무거운 동위원소를 생성한다.[15] Pu의 핵분열 단면적은 열 중성자에 대해 747.9 바른이며, 활성화 단면적은 270.7바른이다(이 비율은 4번의 중성자 포획당 약 11번의 핵분열에 근접한다).[15]

Pu는 핵무기 생산과 일부 핵 반응로에서 에너지원으로 사용되는 세 가지 핵분열성 물질 중 하나이다. 다른 핵분열성 물질은 우라늄-235와 우라늄-233이다. Pu는 자연계에 거의 존재하지 않는다. 우라늄-238에 중성자를 충돌시켜 만들어진다. 우라늄-238은 대부분의 반응로 연료에 상당량 존재하므로 Pu는 이러한 반응로에서 지속적으로 생성된다. Pu는 중성자에 의해 스스로 분열하여 에너지를 방출할 수 있으므로 Pu는 핵 반응로에서 에너지 발생의 일부를 제공한다.

원자로에서 우라늄-238이 중성자를 먹고 B-붕괴를 하여 생성되는게 대다수이다.(넵투늄-237과 플루토늄-238이 중성자를 먹고 생성되는 경우도 있지만 비율이 낮다.) 열중성자로에서의 핵분열 비율이 64~76%, 고속중성자(자원중성자)로에서의 핵분열 비율도 62~63%로 높기 때문에 핵연료와 핵무기로 이용된다. 실제 원자로(경수로)에서도 플루토늄-239의 핵분열로 인해 생산된 전력량은 원자로 전체에서 생산된 전력의 28%의 비율을 차지한다. 플루토늄-239의 임계질량은 13kg이며 중성자 반사체를 입히면 4kg까지 줄일 수 있다. 240Pu이 50% 섞이게 되면 임계질량은 2.4 kg 이하로 줄어들게 되며 238Pu이 섞이면 950g까지 줄어들게 된다. 다만 임계질량이 줄면서 핵무기의 효율과 위력이 약해지므로 핵무기 제조시 이들 동위체를 제거해야 한다. 반감기가 24110년이나 되고 1kg당 1.9W의 강력한 방사선을 내뿜기 때문에 재처리를 꼭 해야만 하는 동위체이나 핵무기 제조 우려 때문에 일부 국가를 제외하고는 여러 국가들이 제한받고 있다. 하지만 보관기간이 30만년이나 필요하고 이 기간 동안 안전하게 보관하기란 사실상 불가능하므로 재처리를 하여 핵연료로 소진해야 한다. 자연계에서 우라늄-238의 자발핵분열로 인해 튀어나오는 중성자로 인해 소량 생산되는데 농축된 우라늄 광석에서는 20억분의 1의 비율로 존재하기도 한다.

U에서 Pu의 생성[16]
원소동위 원소열 중성자 포획
단면적 (barn)		열 중성자 핵분열
단면적 (barn)		붕괴 모드반감기
U2382.685·10α4.47 x 10 년
U2392215β23 분
Np239301β2.36 일
Pu239271750α24,110 년



238U에서 240Pu, 241Pu 및 242Pu의 생성
동위 원소열 중성자
단면적[15]
(바른)		붕괴
모드		반감기
포획핵분열
238U2.6830.000α4.468 x 109년
239U20.5714.11β−23.45분
239Np77.03–β−2.356일
239Pu270.7747.9α24,110년
240Pu287.50.064α6,561년
241Pu363.01012β−14.325년
242Pu19.160.001α373,300년


  • '''플루토늄-240(240Pu)'''은 자발적인 핵분열률이 높아 플루토늄의 배경 중성자 방사선을 증가시킨다.[15] 플루토늄은 Pu의 비율에 따라 등급이 매겨진다: 무기급 (<7%), 연료급 (7–19%), 그리고 원자로급 (>19%).[15] 낮은 등급은 폭탄과 열 중성자 원자로에는 덜 적합하지만, 고속 중성자 원자로의 연료로 사용될 수 있다.[15] 원자로의 핵폐기물에서 대량으로 생산되며 반감기는 6560년이나 되기 때문에 위험한 핵 폐기물로 분류된다. 1kg당 6.9W의 강한 방사선을 내뿜으며 보관기간도 10만년이나 된다. 핵무기 제조시 플루토늄-240의 비율은 7%이하로 줄여야 한다. 플루토늄-240이 섞여 있으면 임계질량이 낮아지지만 임계질량이 낮아지는만큼 핵무기가 폭발할시의 내부의 중성자 통제력이 약화되고 효율도 매우 낮아지기 때문에 비경제적으로 된다. 또한 플루토늄-240은 핵분열을 못하므로 중성자 경제력을 약화하므로 핵무기의 폭발력을 더욱 약화시킨다. 열중성자로에서의 핵분열 비율이 73~75%, 고속중성자(자원중성자)로에서의 핵분열 비율도 73~75%로 중성자 선속에 관계없이 비슷하기 때문에 좋은 핵분열 연료이다. 실제 원자로에서도 0.9%의 비율이 이 동위체의 핵분열로 인해 에너지를 생산하고 있다.

  • '''플루토늄-241(241Pu)'''은 핵분열성이지만, 반감기가 14년으로 아메리슘-241로 베타 붕괴한다.[15] 반감기가 14.29년으로 약한 베타선을 내뿜기 때문에 보관하기 용이하지만 붕괴 생성물인 241Am은 강한 알파선에 감마선도 내뿜으므로 위험하다. 원자로에서 대량으로 생산되고 있으며 241Am은 차세대 원자력 전지로 주목을 받고 있지만 감마선을 일정량 내뿜기 때문에 전지 개발에 제한을 받을 것이다. 임계질량은 12kg이며 중성자 반사제를 이용하면 3.5kg까지 줄일 수 있으나 반감기가 짧아서 핵무기로 이용하지는 않는다.

  • '''플루토늄-242(242Pu)'''는 핵분열성이 아니며, 비옥하지도 않다 (핵분열성이 되기 위해서는 3개의 중성자를 더 포획해야 함).[15] 또한, 낮은 중성자 포획 중성자 단면적을 가지며, 가벼운 동위원소보다 더 긴 반감기를 가진다.[15]

  • '''플루토늄-244(244Pu)'''는 플루토늄의 가장 안정한 동위원소로, 반감기가 약 8천만 년이다. Pu는 반감기가 짧기 때문에 원자로에서 크게 생성되지 않지만, 핵폭발에서는 일부 생성된다.[12] Pu는 성간 공간에서 발견되었으며[12], 비원시 방사성 동위원소 중 두 번째로 긴 반감기를 가진다.[12] 원자로에서 플루토늄-243이 중성자를 하나 흡수하여 극미량 생산되며 자연계에서 극미량 존재한다. 태양계의 연대가 45억 6720만년이며 반감기가 8000만년이나 되기 때문에 자연계에 극미량 존재할 수 있다. 태양계의 역사동안 이 동위체는 반감기의 57배나 되는 긴 기간 동안 붕괴했으며 처음 양의 15경분의 1까지 줄어들었다. 즉 자연계에 플루토늄-244는 매우 극미량이다. 이보다 반감기가 짧은 나이오븀-92(반감기 3472만년)은 자연계에 전혀 존재하지 않는다. 자발핵분열의 비율이 0.123%나 되기 때문에 강한 중성자선을 내뿜지만 반감기가 8000만년이나 되기 때문에 위험도는 낮은 편이며, 원자로에서도 미량 생성되기 때문에 위험한 동위체로 분류되지 않는다.


그 외에도 241Am을 핵폐기물 저장고에 보관한다면 8천년 이상 보관해야한다. 핵폐기물의 하나로써 핵분열을 하지 못하며 다음 동위체인 아메리슘-243도 핵분열을 하지 못한다. 따라서 이 동위체는 핵폐기물로 분류되며 연구용으로도 쓰이며 퀴륨-244의 생산에 이용되기도 한다. 원자로에서 소량 생산되지만 위험한 플루토늄-243은 1kg당 0.11W의 강한 방사선을 내뿜으며 반감기는 37만 3300년이나 되기 때문에 200만년 이상 보관해야한다.(원자로에서 미량 생성되기 때문에 보관 기간을 반감기의 10배 이상으로 확대하지는 않았다.) 또한 원자로에서 극미량 생산되며 243Am으로 붕괴된다. 반감기는 4.956시간이다.

2. 2. 동위원소 표

기호Z(p)N(n)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식[17][18]붕괴 생성물[19]핵 스핀전형적 동위 원소 구성비
(몰 분율)자연적 구성비 변동 범위
(몰 분율)228Pu94134228.03874(3)1.1(+20-5) 초α (99.9%)
β+ (0.1%)224U228Np0+229Pu94135229.04015(6)120(50) 초α225U3/2+#230Pu94136230.039650(16)1.70(17) 분α226U0+rowspan=2|rowspan=2|β+ (드묾)230Np231Pu94137231.041101(28)8.6(5) 분β+231Np3/2+#rowspan=2|rowspan=2|α (드묾)227U232Pu94138232.041187(19)33.7(5) 분ε (89%)232Np0+rowspan=2|rowspan=2|α (11%)228U233Pu94139233.04300(5)20.9(4) 분β+ (99.88%)233Np5/2+#rowspan=2|rowspan=2|α (0.12%)229U234Pu94140234.043317(7)8.8(1) 시간ε (94%)234Np0+rowspan=2|rowspan=2|α (6%)230U235Pu94141235.045286(22)25.3(5) 분β+ (99.99%)235Np(5/2+)rowspan=2|rowspan=2|α (0.0027%)231U236Pu94142236.0460580(24)2.858(8) 년α232U0+rowspan=4|rowspan=4|SF (1.37×10−7%)다양CD (2×10−12%)208Pb28Mgβ+β+ (드묾)236U237Pu94143237.0484097(24)45.2(1) 일ε237Np7/2-rowspan=2|rowspan=2|α (0.0042%)233U237m1Pu145.544(10) keV180(20) msIT237Pu1/2+237m2Pu2900(250) keV1.1(1) µs238Pu94144238.0495599(20)87.7(1) 년α234U0+rowspan=4|rowspan=4|SF (1.9×10−7%)다양CD (1.4×10−14%)206Hg32SiCD (6×10−15%)180Yb30Mg28Mg239Pu[20][21]94145239.0521634(20)2.411(3)×104 년α'235U'1/2+rowspan=2|rowspan=2|SF (3.1×10−10%)다양239m1Pu391.584(3) keV193(4) ns7/2-239m2Pu3100(200) keV7.5(10) µs(5/2+)240Pu94146240.0538135(20)6.561(7)×103 년α236U0+rowspan=3|rowspan=3|SF (5.7×10−6%)다양CD (1.3×10−13%)206Hg34Si241Pu[20]94147241.0568515(20)14.290(6) 년β- (99.99%)241Am5/2+rowspan=3|rowspan=3|α (0.00245%)237USF (2.4×10−14%)다양241m1Pu161.6(1) keV0.88(5) µs1/2+241m2Pu2200(200) keV21(3) µs242Pu94148242.0587426(20)3.75(2)×105 년α'238U'0+rowspan=2|rowspan=2|SF (5.5×10−4%)다양243Pu[20]94149243.062003(3)4.956(3) 시간β-243Am7/2+243mPu383.6(4) keV330(30) ns(1/2+)244Pu[22]94150244.064204(5)8.00(9)×107 년α (99.88%)240U0+미량rowspan=3|SF (0.123%)다양β-β- (7.3×10−9%)244Cm245Pu94151245.067747(15)10.5(1) 시간β-245Am(9/2-)246Pu94152246.070205(16)10.84(2) 일β-246mAm0+247Pu94153247.07407(32)#2.27(23) 일β-247Am1/2+#


3. 핵무기 이용

우라늄-238이 중성자를 흡수하고 베타 붕괴를 거쳐 생성되는 플루토늄-239는 핵연료와 핵무기에 이용된다.[13] 열중성자로에서의 핵분열 비율이 64~76%이며, 고속중성자로에서도 62~63%로 높아 핵무기 제조에 사용된다.[13] 실제 경수로에서도 플루토늄-239의 핵분열로 인해 생산된 전력량은 원자로 전체에서 생산된 전력의 28%를 차지한다. 플루토늄-239의 임계질량은 13kg이며, 중성자 반사체를 사용하면 4kg까지 줄일 수 있다.

플루토늄-239는 우라늄-235 다음으로 원자로에서 두 번째로 많이 사용되는 핵연료이며, 핵무기의 핵분열 부분에서 가장 많이 사용되는 핵분열성 동위원소다.[13] 이는 우라늄-238에 중성자를 충돌시켜 만들어지는데, 우라늄-238은 대부분의 반응로 연료에 상당량 존재하므로 플루토늄-239는 이러한 반응로에서 지속적으로 생성된다.

U에서 Pu의 생성[16]
원소동위 원소열 중성자 포획
단면적 (barn)		열 중성자 핵분열
단면적 (barn)		붕괴 모드반감기
U2382.685·10α4.47 x 10 년
U2392215β23 분
Np239301β2.36 일
Pu239271750α24,110 년



플루토늄-240은 자발 핵분열을 일으키는 비율이 높아 핵무기에서 플루토늄 사용을 제한한다. 자발 핵분열에서 나오는 중성자가 연쇄 반응을 조기에 시작하여 핵무기의 위력을 감소시키기 때문이다. 90% 이상의 플루토늄-239로 구성된 플루토늄은 무기급 플루토늄이라고 하며, 상업용 원자로에서 나온 사용후 핵연료의 플루토늄은 일반적으로 최소 20%의 플루토늄-240을 함유하고 있어 원자로급 플루토늄이라고 한다. 현대 핵무기는 핵융합 증폭을 사용하여 사전 폭발 문제를 완화한다. 플루토늄-240에 의한 오염은 플루토늄 무기가 내파 방식을 사용해야 하는 이유이며, 이는 핵 확산의 장벽이 되기도 한다.

무기급으로 전기 정제된 플루토늄 5.3kg 링으로, 순도는 99.96%이다. 이것은 효율적인 핵무기를 만들기에 충분한 플루토늄이다. 링 모양은 구형을 벗어나 임계를 피하기 위해 필요하다.

4. 원자력 발전과 핵연료 주기

우라늄-238이 중성자를 흡수하여 붕괴하면서 플루토늄-239가 주로 생성된다.[16] (넵투늄-237과 플루토늄-238이 중성자를 흡수하여 생성되는 경우도 있지만 그 비율은 낮다.)[16] 플루토늄-239는 열중성자로에서 64~76%, 고속중성자로에서 62~63%의 핵분열 비율을 보여 핵연료와 핵무기에 이용된다.[16] 실제 경수로에서도 플루토늄-239의 핵분열은 전체 전력 생산의 28%를 차지한다.

플루토늄-239의 임계질량은 13kg이며, 중성자 반사체를 사용하면 4kg까지 줄일 수 있다. 다른 플루토늄 동위 원소가 섞이면 임계질량은 더 줄어들지만, 핵무기의 효율과 위력이 약해지므로 핵무기 제조 시에는 이러한 동위 원소를 제거해야 한다. 플루토늄-239는 24,110년의 반감기를 가지며 1kg당 1.9W의 강력한 방사선을 방출하여 재처리가 필요하지만, 핵무기 제조 우려로 인해 일부 국가에서만 재처리가 허용되고 있다.

플루토늄-239는 자연계에서 극미량 존재하며, 농축된 우라늄 광석에서는 20억분의 1 비율로 발견되기도 한다.

플루토늄-239는 우라늄-235 다음으로 원자로에서 많이 사용되는 핵연료이며, 핵무기의 핵분열 부분에서 가장 많이 사용되는 핵분열성 동위 원소이다.[16]

플루토늄-240, 플루토늄-241, 플루토늄-242는 추가적인 중성자 포획에 의해 생성된다. 홀수 질량 동위 원소인 플루토늄-239와 플루토늄-241은 열중성자를 포획했을 때 핵분열을 일으킬 확률이 약 3/4, 중성자를 유지하고 더 무거운 동위 원소가 될 확률이 약 1/4이다. 짝수 질량 동위 원소는 비옥 물질이지만 핵분열성이 아니고 중성자 포획 확률도 낮아 열 반응기에서 사용되는 핵연료에 축적되는 경향이 있다. 그러나 모든 플루토늄 동위 원소 및 기타 악티늄족은 고속 중성자로에서 핵분열성이다.

플루토늄-241은 14년의 반감기를 가지며, 핵분열과 흡수 모두에서 플루토늄-239보다 약간 더 높은 열중성자 단면적을 갖는다. 핵연료가 원자로에서 사용되는 동안 플루토늄-241 핵은 붕괴되는 것보다 핵분열되거나 중성자를 포획할 가능성이 더 높다. 사용 후 핵연료에서 플루토늄-241의 상당 부분은 아메리슘-241로 베타 붕괴하는데, 이는 강한 알파 방출체이므로 열 반응기에서 사용하기 어렵다.

플루토늄-242는 열중성자 포획에 대한 단면적이 특히 낮아 핵분열성 동위 원소가 되기 위해 세 번의 중성자 흡수가 필요하다. 따라서 플루토늄-242는 열 반응기에서 재활용하기에 부적합하며 고속로에서 직접 핵분열시키는 것이 더 좋다. 플루토늄-242의 반감기는 플루토늄-239의 반감기보다 약 15배 더 길어 핵 폐기물 방사능의 주요 기여 요인이 아니다. 또한 감마선 방출도 다른 동위 원소보다 약하다.[14]

플루토늄-243은 5시간의 짧은 반감기를 가지며 아메리슘-243으로 베타 붕괴한다. 플루토늄-243은 붕괴 전에 추가 중성자를 포획할 기회가 거의 없기 때문에 핵연료 주기에서 장수명 플루토늄-244를 상당량 생산하지 않는다.

플루토늄-238은 핵연료 주기에서 대량으로 생산되지 않지만, 일부는 넵투늄-237에서 중성자 포획, 플루토늄-239에 대한 고속 중성자의 (n,2n) 반응, 또는

U에서 Pu의 생성[16]
원소동위 원소열 중성자 포획
단면적 (barn)		열 중성자 핵분열
단면적 (barn)		붕괴 모드반감기
U2382.685·10α4.47 x 10 년
U2392215β23 분
Np239301β2.36 일
Pu239271750α24,110 년


5. 핵폐기물

플루토늄 동위 원소는 원자로의 핵폐기물에서 대량으로 생산된다. 반감기가 6560년으로 길어 위험한 핵폐기물로 분류된다. 플루토늄-239는 1kg당 6.9W의 강한 방사선을 내뿜으며 보관 기간은 10만 년에 달한다.

핵무기 제조 시 플루토늄-240의 비율은 7% 이하로 줄여야 한다. 플루토늄-240이 섞이면 임계질량이 낮아져 핵무기 폭발 시 내부 중성자 통제력이 약화되고 효율이 낮아져 비경제적이다. 또한 플루토늄-240은 핵분열을 하지 않아 중성자 경제력을 약화시켜 핵무기의 폭발력을 더욱 감소시킨다.

6. 같이 보기

참조

[1] 웹사이트 Свойства радиоактивного распада нового ядра 227Pu http://www1.jinr.ru/[...] Joint Institute for Nuclear Research 2024-11-09
[2] 논문 α decay of the new isotope Pu 227 2024-10-03
[3] 논문 β -delayed fission of Am 230 2017-10-13
[4] 문서 Theorized to also undergo β−β− decay to 236U
[5] 문서 Double beta decay product of uranium-238
[6] 문서 fissile nuclide
[7] 문서 Most useful isotope for nuclear weapons
[8] 문서 Neutron capture product of uranium-238
[9] 문서 Intermediate decay product of plutonium-244
[10] 문서 Interstellar, some may also be primordial but such claims are disputed
[11] 간행물 The Use of Weapons Plutonium as Reactor Fuel http://ieer.org/wp/w[...] Institute for Energy and Environmental Research 2016-07-04
[12] 논문 Abundance of live 244Pu in deep-sea reservoirs on Earth points to rarity of actinide nucleosynthesis
[13] 논문 Neutron and Gamma Ray Source Evaluation of LWR High Burn-up UO2 and MOX Spent Fuels 2004-04
[14] 웹사이트 Plutonium Isotopic Results of Known Samples Using the Snap Gamma Spectroscopy Analysis Code and the Robwin Spectrum Fitting Routine http://www.wmsym.org[...] 2013-03-15
[15] 웹사이트 Interactive Chart of Nuclides http://www.nndc.bnl.[...] 2011-07-21
[16] 서적
[17] 문서 http://www.nucleonic[...]
[18] 문서 약자
[19] 문서 굵은 글꼴은 안정 동위 원소
[20] 문서 핵분열성 핵종
[21] 문서 핵무기에 널리 쓰이는 동위 원소
[22] 문서 원시 방사성 핵종


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com