핵변환

3. 핵변환의 종류

핵변환은 크게 자연적 핵변환과 인공적 핵변환으로 나눌 수 있다.

화학 결합으로 결합된 원자 집단인 분자는 화학의 기본적인 요소 중 하나이지만, 화학 반응에 의해 그 분자의 구성은 비교적 쉽게 변화한다. 한편, 분자를 구성하는 원자(의 원자핵)도 핵력으로 결합된 양성자와 중성자의 집단이기 때문에, 분자처럼 원자도 그 구성(핵종)은 분자만큼 쉽지는 않지만 변화할 수 있다. 이처럼 원자핵 구성이 변화하는 것(핵종의 변화)을 '''핵변환'''(nuclear transmutation)이라고 부른다.

원자핵물리학에서 기본적인 현상인 방사성핵종이 방사선을 방출하여 다른 핵종으로 변하는 방사성 붕괴는 핵변환의 일종이다. 핵분열 반응이나 핵융합 반응도 핵변환의 일종이다.

핵변환으로 생성되는 대표적인 물질로는 플루토늄-239가 있다.^[27]

원래 원자를 구성하는 핵종의 반감기는 환경 변화에 거의 영향을 받지 않는 물리량이며, 고전 물리학적·화학적인 방법으로는 반감기를 변화시키는 것(즉, 핵종을 핵변환시키는 것)은 불가능하다고 여겨졌다. 그러나 최근에는 극단적인 조건에서 약 1% 정도이지만 고압, 전자기장, 화학 구조 등에 의해 반감기가 변화하는(즉, 핵변환이 일어나는) 현상이 밝혀지고 있다.^[28]

원자로의 사용후핵연료로 이루어진 고준위 방사성폐기물에는 다양한 핵종이 포함되어 있는데, 그중 일부는 천연 우라늄 수준의 방사능까지 감소하는 데 수만 년이 걸리는 초장수명 핵종이다. 플루서멀이나 핵연료 사이클을 거쳐 나오는 방사성 폐기물에서 초장수명 핵종인 마이너 악티노이드(MA)나 핵분열 생성물(FP)을 분리한 후, 수백 년 단위의 단수명 핵종 또는 안정 핵종으로 핵변환하는 기술('''핵변환 기술''', 과거에는 '''소멸 처리'''라고 불렀음)에 대한 연구 개발이 1970년대부터 진행되고 있다.

3. 1. 자연적 핵변환

3. 2. 인공적 핵변환

4. 핵변환 기술

핵변환 기술은 방사성 폐기물 처리, 새로운 동위 원소 생산 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

초우라늄 원소(transuranium element) (즉, 악티늄(actinium)에서 우라늄(uranium)을 제외한 악티늄족 원소(actinides))의 동위 원소(isotope)나 소량 악티늄족 원소(minor actinides, MAs)(넵투늄(neptunium), 아메리슘(americium), 퀴륨(curium) 등)의 핵변환(transmutation)은 함유된 장수명 동위원소의 비율을 줄임으로써 방사성 폐기물(radioactive waste) 관리 문제를 해결하는 데 기여할 수 있다.

악티늄족 원소를 포함하는 세라믹 표적에 중성자를 폭격하여 핵변환 반응을 유도하면 가장 처리하기 어려운 장수명 종을 제거할 수 있다. 이때 비방사성 불활성 상의 역할은 주로 중성자 조사 하에서 표적에 안정적인 기계적 거동을 제공하는 것이다.^[13]

처음 연료 주기에 플루토늄을 포함하고 연료 주기가 끝날 때는 플루토늄의 양이 더 적은 여러 종류의 연료가 있다. 주기 동안 플루토늄은 원자력 발전소에서 연소되어 전기를 생산할 수 있다. 이는 발전뿐만 아니라 무기 프로그램에서 발생한 잉여 무기급 플루토늄과 사용후핵연료 재처리 과정에서 발생하는 플루토늄을 소비할 수 있다는 점에서도 중요하다.

혼합산화물 연료는 경수로에서 주로 사용되는 저농축 우라늄 연료의 대안이다. 혼합산화물에는 우라늄이 존재하므로 플루토늄이 연소되더라도 우라늄-238의 방사선 포획과 그 후 두 번의 베타 붕괴를 통해 2세대 플루토늄이 생성된다.

플루토늄과 토륨을 포함하는 연료도 하나의 선택지이다. 이 경우 플루토늄 핵분열에서 방출되는 중성자는 토륨-232에 포획된다. 토륨-232는 두 번의 베타 붕괴를 거쳐 핵분열성 동위원소 우라늄-233을 생성한다. 토륨-232의 방사선 포획 단면적은 우라늄-238의 세 배 이상이므로 우라늄-238보다 핵분열성 연료로의 전환율이 더 높다. 연료에 우라늄이 없기 때문에 2세대 플루토늄이 생성되지 않으며, 혼합산화물 연료보다 플루토늄 연소량이 더 많다. 그러나 핵분열성인 우라늄-233은 사용후핵연료에 존재하게 된다.

원래 원자를 구성하는 핵종의 반감기는 환경 변화의 영향을 매우 받기 어려운 물리량이며, 고전 물리학적·화학적인 방법으로는 반감기를 변화시키는 것은 불가능하다고 생각되었지만, 최근에 극단적인 상태에서 불과 1% 정도이지만 고압, 전자기장 또는 화학 구조 등에 의해 반감기가 변화하는 것이 밝혀지고 있다.^[28]

장수명 방사성핵종을 핵변환을 통해 단수명 핵종 또는 안정 핵종으로 바꾸는 기술을 '''핵변환 기술'''(transmutation technology)이라고 한다.^[36] 과거에는 '''소멸 처리'''라고 불렸다.^[37]

4. 1. 방사성 폐기물 처리

• 핵변환을 수행하기 전에 장수명 핵분열 생성물 동위원소를 분리해야 하는 비용이 많이 들고 번거로운 작업이 필요하다.
• 장수명 핵분열 생성물 중 일부는 작은 중성자 반응 단면적과 그에 따른 낮은 포획률 때문에 효과적인 핵변환에 필요한 충분한 중성자를 포획할 수 없다.

4. 2. 핵종 분리 기술

4. 3. 핵변환 기술의 과제

• 핵변환을 수행하기 전에 장수명 핵분열 생성물 동위원소를 분리해야 하는데, 이 작업은 비용이 많이 들고 번거롭다.
• 장수명 핵분열 생성물(long-lived fission product) 중 일부(예: 핵폐기물인 세슘-137(caesium-137))는 중성자 반응 단면적(neutron cross-section)이 작고 포획률이 낮아 효과적인 핵변환에 필요한 충분한 중성자를 포획할 수 없다.

5. 핵변환과 우주

빅뱅은 우주에 존재하는 수소(모든 중수소 포함)와 헬륨의 기원으로 여겨진다. 수소와 헬륨은 우주에 존재하는 일반 물질의 질량 중 98%를 차지하며, 나머지 2%가 다른 모든 것을 구성한다. 빅뱅은 또한 소량의 리튬, 베릴륨, 그리고 아마 붕소를 생성했다. 더 많은 리튬, 베릴륨, 그리고 붕소는 나중에 자연적인 핵반응인 우주선 파쇄 과정에서 생성되었다.^[10]

항성 핵합성은 안정 동위원소와 원시 핵종으로서 우주에 자연적으로 존재하는 탄소부터 우라늄까지의 다른 모든 원소를 생성하는 과정이다. 이러한 과정은 빅뱅 이후 항성 생성 과정에서 일어났다. 탄소부터 철까지의 일부 가벼운 원소들은 항성에서 생성되어 점근거성가지(AGB) 항성에 의해 우주 공간으로 방출되었다. 이들은 외곽 대기를 "방출"하는 적색거성의 한 종류로, 탄소부터 니켈과 철까지의 일부 원소를 포함하고 있다. 질량수가 64보다 큰 핵종은 주로 중성자 포획 과정—''s''-과정과 ''r''-과정—을 통해 초신성 폭발과 중성자별 합병에서 생성된다.^[10]

태양계는 약 46억 년 전에 이전에 많은 수의 항성에 의해 형성된 먼지 입자 속에 더 무거운 원소를 포함하는 수소와 헬륨 구름에서 응축된 것으로 생각된다. 이러한 입자는 우주 역사 초기에 핵변환에 의해 형성된 더 무거운 원소를 포함하고 있었다.^[10]

항성에서 일어나는 이러한 모든 자연적인 핵변환 과정은 오늘날 우리 은하와 다른 은하에서도 계속되고 있다. 항성은 수소와 헬륨을 더 무겁고 무거운 원소(철까지)로 융합하여 에너지를 생성한다. 예를 들어, SN 1987A와 같은 초신성의 관측된 광도곡선은 지구의 질량과 비슷한 양의 방사성 니켈과 코발트를 우주 공간으로 방출하는 것을 보여준다. 그러나 이러한 물질 중 지구에 도달하는 양은 거의 없다.^[10]

6. 한국의 핵변환 연구 현황

죄송합니다. 주어진 원본 소스(source)는 일본의 핵변환 연구 현황에 대한 내용이며, 한국의 핵변환 연구 현황에 대한 내용은 포함하고 있지 않습니다. 따라서 주어진 정보만으로는 섹션 내용을 작성할 수 없습니다.

6. 1. 문부과학성

6. 2. 기타 연구 기관

참조

_[1] 논문 Transmutation in der Kerntechnik https://inis.iaea.or[...] VWEW-Energieverlag GmbH
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