우라늄의 반감기는 무엇인가?
우라늄-238
우라늄-238(238U)은 자연계에 가장 풍부하게 존재하는 우라늄의 동위 원소이다. 천연 우라늄의 99.284%가 우라늄 238이다. 반감기는 1.41 × 1017 초((4.46 × 109년, 44.6억 년)이다.
우라늄
또한 순수한 235U에서는 1 g당 매초 약 0.0003개의 원자가 자발 핵분열을 일으키므로 일정량 이상 모이면 연쇄반응에 의해서 핵폭발이 일어난다. 이것을 이용한 것이 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 투하된 최초의 원자폭탄이었다. 238U은 우라늄계열의 최초의 핵종으로 우라늄I(UI)라고도 하며 중성자를 많이 흡수하므로 연쇄반응올 억제할 수 있지만 그 결과 239U로 되어 239Np를 거쳐 239Pu로 변한다. 이 239Pu는 중요한 핵연료로 사용된다. 따라서 천연 우라늄 중 235와 238을 분리할 필요가 있게 되어, 제2차 세계대전 중 미국의 원자폭탄 제조계획에 의해서 모든 방법들이 검토되었다.
자발 핵분열
우라늄-238의 자발 핵분열은 핵분열의 파편이 결정구조를 통해 나아감에 따라 우라늄을 가지고 있는 광물에 자국을 남긴다. 이러한 자국은 방사성 연대 측정법의 기본이 된다.실질적으로, 플루토늄-239는 생성시에 추가로 중성자를 흡수하려는 경향이 있으므로, 항상 일정량의 플루토늄-240을 포함하고 있다. 플루토늄-240의 높은 자발 핵분열 비율은 이를 부적절한 혼합물이게 한다. 무기로 사용할 만한 플루토늄은 7% 이하의 플루토늄-240을 포함해야 한다.
우라늄
상온에서 얻는 금속은 알파우라늄이며, 935.15K에서는 베타우라늄, 1045.15K에서는 감마우라늄이 된다. 알파우라늄은 사방정계며, 결정의 세 축방향에 따라 팽창률이 다르다. 그러므로 원자로 연료로 금속우라늄을 사용하면 연료막대가 변형하는 일이 생긴다.
우라늄 동위 원소
천연 동위 원소로 자연계에 가장 많이 존재하는데 반감기가 44억 6800만년이나 되기 때문이다. 태양계의 역사보다 1억 400만년 짧은 반감기를 가지고 있기 때문에 태초의 우라늄-238의 양과 비교하면 아직도 49%나 남아있다. 우라늄-238은 우라늄 동위체의 99.28%나 존재하며 핵연료의 희석제로 쓰인다. 고속중성자(자원중성자)를 이용하면 많은 비율을 플루토늄-239로 바꿀 수 있기 때문에 기대되는 동위체이다. 열중성자로에서도 많은 양의 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 대량의 플루토늄-239를 형성하고 실제로 원자로의 에너지의 26%는 플루토늄-239의 핵분열로 생성된다.
뢴트게늄
뢴트게늄(←, )은 화학 원소로 기호는 Rg(←), 원자 번호는 111이다. 11족인 인공 원소로, 반감기가 가장 긴 동위 원소는 원자량이 280이고, 반감기는 3.6초 이다. 질량은 280.154u이다.
지르코늄 동위 원소
Zr은 153만년의 반감기를 가지고 있으며, 태양계 초창기에는 많이 존재했었지만 이미 먼 과거에 다 붕괴하고, 현재는 우라늄, 토륨의 자발 핵분열 생성물로 자연계에 미량 존재한다.
연구용 원자로
연구용 원자로는 대부분 열출력이 낮은 만큼 운전온도가 낮기 때문에 초기에는 알루미늄과 농축도 90% 이상의 우라늄합금연료를 사용했으나, 현재는 우라늄 농축도를 20%로 낮추면서 우라늄과 실리콘 합금으로 된 심재를 알루미늄피복으로 감싼 형태의 연료를 사용한다. 최근 핵연료의 성능을 높이기 위해 우라늄과 몰리브덴 합금 연료가 개발되고 있으며, 부산시 기장에 건설될 연구로에서는 우라늄-몰리브덴 합금을 연료로 사용할 예정이다. 한편, 감속재와 냉각재는 원자로의 특성 및 용도에 따라 중수, 흑연, 베릴륨 등 다양한 물질이 사용된다. 
우라늄 동위 원소
하지만 이는 대형의 중성자 공급장치를 필요로 한다는 점에서 경제성이 없다.
토륨 원전에서는 이러한 성질 때문에 토륨에 플루토늄-239, 우라늄-235등을 섞어 사용하는 방법도 있지만 핵분열성 동위원소를 고농축해야 하므로 실효성이 떨어진다.
크립톤
자연에 존재하는 크립톤에는 모두 여섯 종류의 동위 원소가 존재하고 30여개의 불안정한 방사성 동위 원소와 핵 이성질체가 존재한다. 크립톤-81은 액체 공기를 분별 증류하여 크립톤을 얻는 과정에서 함께 얻어지는 방사성 동위 원소로 반감기가 약 23만 년이다. 5만~80만 년 정도 된 지하수의 연대를 측정하는데 사용된다. 크립톤-85는 반감기가 10.76년인 방사성 비활성 기체이다. 핵실험이나 원자로 등에서 우라늄과 플루토늄의 핵분열로 인해 생성되는 부산물이다. 원자로 제어봉을 재처리하는 과정에서 발생된다.
천연 우라늄
경수로나 핵무기에 쓰이기에는 천연 우라늄은 우라늄-235의 비율이 낮아, 농축 우라늄을 사용한다.
핵연료 주기
중수로와 흑연감속 원자로는 천연 우라늄을 사용하지만, 전 세계의 대다수 원자로는 농축 우라늄을 사용한다. 일반적인 발전용 원자로는 U 5%, U 95%인 농축 우라늄을 사용하지만, 선박용 원자로의 경우 약 93%의 U를 사용한다.
기장 수출용 신형 연구로
U-Mo 핵연료는 기존의 우라늄-실리콘 핵연료보다 우라늄 밀도가 높아 고농축 우라늄 대신 저농축 우라늄을 쓸 수 있다. 세계 최초로 개발된 U-Mo 분말은 단위 부피당 우라늄 밀도를 2배 가까이 높여 농축도 20% 이하의 저농축 우라늄으로도 고성능 효과를 낼 수 있다. 연구용 원자로의 핵연료 교체주기를 현재의 200일에서 300일로 50% 가량 늘릴 수 있다. 2017년 말까지 미국에서 성능시험을 끝낼 계획이다.
플루토늄 동위 원소
원자로 내에서 넵투늄-237이 중성자를 흡수할 때 극미량의 일부가 2개의 중성자를 방출하여 넵투늄-236이 되고 이 중 12.5%가 Pu으로 붕괴된다.
넵투늄-236 자체도 극미량 생성되는데다 반감기도 15만 4천년으로 매우 길므로 이 동위체는 원자로에서 극미량 생성되기 때문에 그리 중요한 동위체는 아니다.
반감기가 2.858년으로 매우 강한 방사선을 내뿜는 우라늄-232로 붕괴되며 매 붕괴 사슬을 거치면서 강한 감마선을 내뿜는다.
타이타늄 동위 원소
타이타늄, 티타늄 또는 티탄(Ti)은 자연에서 5가지의 안정 동위 원소(Ti, Ti, Ti, Ti, Ti)로 구성되어 있으며, 이들 중 Ti이 73.8%로 가장 흔하게 존재한다. 이 밖에 원자량 38~63 사이에 21가지의 방사성 동위 원소가 발견되었으며, 가장 안정한 것은 반감기가 약 60년인 Ti, 반감기가 184.8분인 Ti, 반감기가 5.76분인 Ti 등이다. 이 밖의 방사성 동위 원소들의 반감기는 33초 이하이며, 대부분은 1초 이하이다. 원자량 48 미만인 동위 원소들은 주로 양의 베타 붕괴(β)를 통해 스칸듐 동위 원소로 붕괴하며, 원자량 48을 초과하는 동위 원소들은 주로 음의 베타 붕괴(β)를 통해 바나듐 동위 원소로 붕괴한다.
우라늄-238
자원중성자 선속은 0.5 eV 이상의 강력한 중성자를 이용하는 경우인데 열 중성자의 평균 선속의 최소 20배나 된다. 이러한 중성자 선속 범위에서는 우라늄-238이 중성자를 아주 잘 흡수하는 범위가 있는데 열 중성자보다 10000배 이상 흡수율이 좋아지기도 한다. 이러한 중성자 흡수 범위를 공명 흡수라고 하는데 우라늄-238은 0.5 eV~10 KeV의 중성자 속도에서 이 범위가 나타난다.
농축 우라늄
U 비율이 0.9%에서 2%인 농축 우라늄이다. CANDU형 중수로 등에서 기존의 천연 우라늄을 대신해서 연료로 사용하기 위해 개발되었다.
융합과학
1907년부터 평생 이어진 화학자 오토 한과 물리학자 리제 마이트너의 공동 연구는 결국 우라늄 핵분열 발견을 이뤄낸다. 우라늄을 변환시키는 실험 과정에서 새로 생성되는 원소의 분석을 위해 그들이 찾은 분석화학자가 바로 슈트라스만이었다. 실험에서 나타나는 원소들은 같은 족에 속해 있어 화학적 성질이 매우 비슷했기 때문에 꼼꼼한 분석화학자가 꼭 필요했다. 파리 연구팀과 로마 연구팀에 이러한 분석화학자가 없었다는 점은 큰 약점으로 작용했다. 파리 연구소의 이렌 퀴리와 사비치는 우라늄에 중성자를 쏘아 새로운 방사성 물질을 발견했으나 분석화학자의 부재로 어떤 물질인지 알아내지 못했고 결국 베를린 연구팀이 분석하는 과정에서 우라늄의 핵분열을 발견하게 된 것이다.
악티늄
자연적으로 생성되는 악티늄은 한 종류의 방사성 동위 원소로만 이루어져 있다. 바로 Ac이다. 지금까지 총 36개의 방사성 동위원소가 발견되었는데, 제일 안정한 것은 Ac로써, 그의 반감기는 21.772년이다. Ac의 반감기는 10일이고, Ac의 반감기는 29.37시간이다. 나머지 방사성 동위원소들은 모두 10시간보다 적은 시간의 반감기를 가지고 있고, 대다수는 반감기가 1분도 되지 않는다. 반감기가 가장 짧은 악티늄의 동위원소는 Ac으로, 반감기는 69 나노초이다. Ac는 알파 붕괴와 역베타 붕괴('전자 포획'이라고도 한다)로 붕괴된다. 악티늄은 2개의 핵 이성질체가 있다.
우라늄-238
하지만 평균으로 따지더라도 자원중성자 선속을 이용하면 열 중성자보다 110배 이상 더 중성자 흡수율이 좋아지게 되어 열 중성자로에서의 핵분열성 우라늄을 태우는 것 만큼 좋아진다. 또한 반대로 피복재의 중성자 흡수율이 극도로 낮아져 중성자 경제성도 더 좋아서 실제로는 수치보다 더 높은 중성자 흡수율이 더해져 많은 우라늄-238이 핵분열성 동위체로 변화될 수 있다. 덕분에 태운 연료보다 더 많은 핵분열성 연료가 생성되는 것이다.
우라늄 동위 원소
반감기는 24만 5천년이며, 자연계에 미량 존재하며 우라늄-238의 붕괴로 생성된다. 토륨 원전의 핵심이며 Pa-233이 중성자를 하나 얻어 생성된다. Pa-233의 반감기가 26.975일이나 되어 U-233으로 붕괴하기도 전에 중성자를 흡수하여 25~27% 이상의 비율이 U-234로 변환되어 토륨 원전의 중성자가 부족하게 되는 원인이 된다. 따라서 중성자를 추가로 공급해주어야 한다.
반감기
여기에서
핵연료 주기
농축과정중 부산물의 대부분(96%)인 열화 우라늄은 장갑재, 포탄의 관통자, 방사능 차폐물, 선박의 밸러스트로 쓰이지만 많은 양의 열화우라늄이 창고에 쌓여있다. 미국 에너지성은 약 47만톤 가량의 열화우라늄을 가지고 있으며, 그중 약 95%의 열화 우라늄은 6불화 우라늄으로 저장된다.
핵분열
일반적으로 핵분열 가능성은 물질의 특성 중 하나인 반응단면적(입자가 물질 속을 진행 시 화학 반응을 수반하는 충돌이 일어나는 확률을 표적의 면적으로 나타낸 양)에 따라 결정되는데, 우라늄-233(^{233}_{92}U), 우라늄-235(^{235}_{92}U), 플루토늄-239(^{239}_{94}Pu) 등이 핵분열 반응단면적 값이 커서 주로 핵분열 물질로 분류된다.
핵연료
우라늄 탄화물은 높은 열효율과 더불어 높은 녹는점으로 주목받고 있으며, 게다가 연료내부에 산소가 없어서(방사선을 받게 되면, 연료에서 O나 다른 가스가 방출되게 된다) 세라믹을 코팅하기에 적당한 연료(세라믹을 코팅하게 되면 구조적으로나 화학적인 장점을 얻을수 있다)라고 할 수 있다. 탄화물 연료는 현재 가스 냉각형 고속로의 연료의 후보로 주목받고 있다.
우라늄-238
미래에 우라늄-235의 반감기가 매우 짧기 때문에 우라늄-238이 100% 남게 될 것이다. 과거에는 우라늄-235와 236도 많이 있었지만 반감기가 짧아 236은 이미 42억년전에 사라져 현재는 자발핵분열로 인해 튀어나온 중성자로 생성된 극미량만 남아있고 우라늄-235도 0.72%밖에 남아 있지 않다.
원자로
대부분의 상업용 비등수형 원자로와 가압수형 원자로는 4%정도의 농축 우라늄을 사용하고, 몇몇 상업용 원자로(흑연이나, 중수를 감속재로 사용하는 경우)들은 감속재의 효과가 좋아 천연 우라늄을 사용하기도 한다.
우라늄 동위 원소
반감기가 15만 9200년으로 토륨 핵반응으로 인해 생성된다. 열중성자 핵분열 효율이 92%에 이르고 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 84~88%에 이르러 핵연료로 이용할 수 있다.
토륨-232가 중성자를 하나 흡수하여 토륨-233이 되며, 토륨-233은 붕괴를 하여 프로트악티늄-233이 된다. 프로트악티늄-233은 26.975일의 긴 반감기를 거쳐 우라늄-233으로 붕괴된다.
팔라듐 동위 원소
Pd은 반감기가 650만년으로 태양계 초창기에 많이 존재했었지만, 이미 오래전에 사라진 절멸 핵종이다. 현재 Pd은 우라늄, 토륨의 자발 핵분열로 생성된 미량이 자연계에 존재하며 원자로에서 핵분열로 생성된다.
우라늄 레이저 농축법
일본의 원자력연구소는 레이저 광선을 천연 우라늄에 투사하여 농축 우라늄을 제조하는 기초실험에 성공했다. 이는 고온의 증기상태인 천연 우라늄에 염료 레이저에서 나오는 자외선을 투사하여 우라늄 235를 분리한 것이다.
감손 우라늄
감손 우라늄(減損 - ), 열화 우라늄(劣化 - ) 또는 폐기 우라늄()은 천연 우라늄에 비해 우라늄-235의 비율이 낮은 우라늄을 말한다. 원자력 발전에 사용하기 위해 우라늄235의 농도를 높인 농축 우라늄을 추출하고 남은 폐기물이다.
기체확산법
기체확산법은 우라늄-235와 우라늄-238을 분리하여 농축 우라늄을 제조하기 위한 공정이다. 기체상태의 육불화우라늄(UF)에 혼합되어 있는 육불화우라늄-235(UF)과 육불화우라늄-238(UF)이 비중에 따라 확산 비율이 다른 점을 이용한다.
알루미늄 동위 원소
알루미늄은 자연에 Al(안정 동위 원소)과 Al(반감기 7.2×10년인 방사성 동위 원소) 두 종류의 동위 원소가 존재하며, 이 중 Al이 차지하는 비율은 99.9% 이상이다. 이 밖에 원자량 21~42 사이에서 22종류의 방사성 동위 원소와 4종류의 이성질핵이 알려져 있으며, 모두 반감기가 7분 이하이고 대부분은 1초 이하이다.
테크네튬 동위 원소
원자로의 핵폐기물에서 생성되었다가 사라지는 동위체로 반감기는 6시간이다. 따라서 주로 이 동위체는 의학과 실험용으로 많이 이용하는데 실험용 원자로를 따로 만들어 여기서 추출한다. 우라늄-235의 핵분열 생성물들 중 높은 비율로 생성되기 때문에 실험용 소형 원자로에서 우라늄-235를 일정량 태운 후 즉시 재처리한다.
핵분열
핵분열(核分裂, nuclear fission, )은 보통 우라늄, 플루토늄같이 질량수가 큰 원자핵이 중성자와 충돌해 가벼운 원자핵 2개(핵분열 생성물)로 쪼개지는 핵반응의 한 유형이다. 1938년 독일 과학자 프리츠 슈트라스만과 오토 한의 실험으로 확인되었다. 이 실험에서 에너지가 낮은 중성자(열중성자)를 우라늄-235(^{235}_{92}U)에 충돌시키자 우라늄은 바륨과 크립톤으로 분열되며 그 과정에서 2~3개의 중성자와 함께 막대한 양의 에너지가 방출되는 현상이 관측되었다.
플루토늄
원자로에서는 238U 이 중성자를 포획해 239U 가 되고, 그것이 베타 붕괴해 239Np가 되고, 239Np가 다시 베타 붕괴해 239Pu가 생긴다.(원자로 내에서는 다른 플루토늄 동위원소도 다수 생성될 수 있다.) 238U은 천연 우라늄의 대부분을 차지하고 있으므로 239Np와 239Pu도 위의 과정을 통해 생성되어 극미량이 천연에도 존재한다. 또 동위원소 중에서는 가장 긴 약 8000 만 년의 반감기를 가진 244Pu도 극미량이지만 천연에 존재한다. 플루토늄은 핵무기의 원료나, 플루서멀(Plu-thermal) 발전에 있어서의 MOX 연료로서 주로 사용되고, 인공위성의 전원인 원자력 전지로서 사용된 적도 있다.
우라늄-235
우라늄-235는 자연계에 존재하는 우라늄의 방사성 동위 원소이다. 
반감기는 7억 380만년이며, 양성자 92개 중성자 143개로 구성되어 있다. 자연계에 존재하는 우라늄의 동위 원소들 중 유일하게 열 중성자 핵분열이 될 수 있는 핵분열성 동위체이다.
기장 수출용 신형 연구로
전기를 생산하는 발전용 원자로는 통상 우라늄-235(U-235)가 5% 이하로 농축된 연료를 사용하는 데 비해, HANARO 같은 경우 19% 이상인 농축 우라늄을 사용하고 있다. 기장 수출용 신형 연구로는 세계최초로 우라늄 몰리브덴 판형 핵연료를 사용할 계획이다. 판형 핵연료는 농축도가 20%인 저농축 연료지만 우라늄 밀도가 높고 출력이 높은 기술로 평가받고 있다.
중수로
중수는 보통의 물인 경수에 비해 중성자를 감속하는 작용이 뛰어나면서도 중성자를 잘 흡수하지 않는 장점이 있다. 따라서 중수를 사용한 원자로는 천연우라늄을 그대로 연료로 쓰더라도 연쇄반응을 유지할 수 있다. 이렇게 천연우라늄(우라늄 235)을 연료로 사용할 수 있어 경제적이지만, 냉각수인 중수를 만드는 데 일반 물(경수)를 사용하는 가압경수로에 비해 비용이 많이 든다. 
원자로
열 중성자 반응로는 일반적으로 정제된 농축우라늄에 의존한다. 그리고 몇몇 원자로는 MOX연료(우라늄+플루토늄 혼합 연료)를 사용한다. 이 과정은 우라늄광석이 채광, 제련, 사용, 가능하다면 재처리와 처분에 이르기까지의 과정을 핵연료 주기라고 부른다.
육불화 우라늄
육불화 우라늄은 화학식이 UF인 무기 화합물이다.부식성이 강하다.
육불화 우라늄을 이용해 우라늄235와 우라늄238를 분리하여 농축우라늄을 만든다.
우라늄 동위 원소
우라늄-238이 중성자를 하나 흡수하여 생성된다. 반감기가 23분으로 매우 짧아 즉시 넵투늄-239로 붕괴된다고 할 수 있다.
원자로
원래 천연우라늄에는 1%정도의 분열가능한 U가 포함되어 있고, 몇몇 원자로들은 이 U를 농축시킨 연료를 필요로 한다. 농축우라늄은 U의 양을 좀 더 늘리는 것으로, U를 농축시키는 데는 보통 기체 확산법과 원심분리기법(U-235와 U-238의 무게차이를 이용한 방법), 레이저 확산법등을 사용한다. 농축과정이 끝나고 우라늄은 우라늄 이산화물(UO) 가루로 전환하여, 펠릿 틀에 집어넣고 압력과 열을 가한다. 이렇게 만들어진 펠릿은 가느다란 튜브에 집어넣는데, 이 튜브를 가리켜 연료봉이라고 부른다. 원자로에는 여러 개의 연료봉을 묶은 연료집합체가 들어가게 된다.
프랑슘
우라니나이트(피치블렌드)에 10-20 g의 프랑슘(1개의 우라늄 원자당 한 개의 원자)이 존재하는 것으로 추정된다. 악티늄이 붕괴하여 발생하며, 토륨(Th)에 양성자들을 충돌시켜 인공적으로 제조할 수도 있다. Ac의 딸 핵이자 가장 안정적인 동위원소인 Fr조차도 반감기가 22분인데, 이는 자연에 존재하는 원소 중 가장 불안정하다. 3~40여 종의 동위원소들이 알려져 있으나, 자연에 존재하는 것은 Fr뿐이며 지구 지각에 존재하는 양은 많아야 20-30g 이다.
플루토늄
플루토늄(←, ←)은 희귀한 초우라늄 방사성 동위원소로 원자번호 94, 기호는 Pu(←)이다. 반감기는 최소 88년에서 최대 808만 년이다. 원자로내에서 우라늄 농축연료를 분열시키거나 238U에 중성자를 조사하여 플루토늄을 만든다. 특히 239Pu은 고속증식로의 연료로 사용되며, 또한 원자폭탄 제조에 사용된다. 동위원소인 238Pu는 원자력 전지에 사용된다. 플루토늄은 독성이 강해 취급에 상당한 주의를 요한다. 최근에는 원자로 내에서 스스로 증식하는 특성을 이용하여 플루토늄을 주 연료로 하는 고속증식로를 전략원자로로 개발하고 있다.
루테늄
루테늄은 다른 백금족 원소들과 마찬가지로 반응성이 작은 금속이다. 그러나 분말 상태에서는 비교적 반응성이 크며 기체를 다량으로 흡수하기도 한다. 비산화성 산에는 녹지 않으며 100℃ 이하의 온도에서는 왕수에도 녹지 않는다. 용융 알칼리에는 공기가 있으면 녹을 수 있으며 과산화 나트륨(NaO)이나 염소산 칼륨(KClO)와 같은 산화성 용제가 있으면 더욱 잘 녹아 루테늄산 이온(RuO)이 된다. 실온의 공기에서는 산소와 반응하지 않고 800℃ 이상의 온도에서 검은 자줏빛의 이산화 루테늄(RuO)이 된다. 대부분의 비금속과 고온에서 느리게 반응한다. 그러나 플루오린이나 염소와 같은 산화제와는 쉽게 반응하는데 플루오린 기체와는 육플루오린화 루테늄(RuF)을, 염소 기체와는 삼염화 루테늄(RuCl)을 만든다. 루테늄은 산화수가 +1~+8, -2인 화합물들이 알려져 있으나, 화합물에서 흔한 산화상태는 +2, +3, +4이다. +8 화합물로 사산화 루테늄(RuO)이 있는데 이는 녹는점이 25.4℃, 끓는점이 40℃인 휘발성 금속 산화물이다. 이는 같은 족의 오스뮴 산화물인 사산화 오스뮴 OsO(녹는점 40.25℃, 끓는점 129.7℃)과 성질이 비슷하며 자극적인 냄새가 난다.
핵무기 설계
우라늄-233(U-233)은 인공적으로 만들어진 동위원소이다. 핵반응로에서 토륨-232로부터 만들어진다. U-233의 분열 특성은 U-235와 Pu-239의 중간 정도이다.
라돈
라돈은 우라늄과 토륨이 납으로 자연붕괴되는 과정에서 라듐을 생성하게 되고, 이 라듐에 의해서 라돈이 생성되게 된다. 우라늄과 토륨은 지구를 구성하는 물질 중에 하나이며, 지구상 어디에서나 흔히 존재하고 있다. 자연상태에 있는 우라늄의 반감기는 44억 6800만 년, 토륨의 반감기는 140억 500만년 이다. 지구상에 우라늄과 토륨이 존재하는 한 계속적으로 라듐이 생성되고 그 과정에서 라돈이 생성되게 되어있다.
플루토늄-239
반감기가 24000년이나 되기 때문에 35만년간 보관해야 되는데 많은 양을 100% 통제하에 장기간 보관하는 것은 불가능하다. 따라서 미래에는 핵연료로써 우라늄과 같이 플루토늄도 같이 소모하게 될 것이다.
천연 우라늄
탄소 감속 원자로나 중수 감속 원자로에서는 천연 우라늄을 핵 연료로 사용한다.
루테늄 동위 원소
인공적으로 합성된 루테늄의 동위 원소는 Ru부터 Ru까지 합성되었었다.
Ru은 핵분열 생성 방사성 동위 원소로 반감기는 373.59일이다.
우라늄정광
우라늄염은 우라늄을 채굴하는 모든 나라에서 생산된다.
우라늄
천연우라늄은 234U(존재 백분율 0.0054 %, 반감기 24만 8000년), 235U(존재백분율 0.7024 %, 반감기 7억 380만 년), 238U(존재백분율 99.2742 %, 반감기 44억 6800만년) 등 3종의 동위원소로 이루어지며, 그 밖에 인공적으로 만든 동위원소를 포함하면 질량수 217로부터 242까지 26종이 존재한다. 235U는 악티늄족 계열 최초의 핵종으로 악티노 우라늄(AcU)이라고도 하며, 열중성자·고속중성자·양성자·i입자·중양성자·i선 등의 충격에 의해서 핵분열하는데, 열중성자에 의한 핵분열에서는 약 200MeV의 에너지를 방출하며 평균 2.5개의 중성자도 방출한다. 따라서 방출된 중성자가 다른 235U 원자를 분열시키도록 조건을 주면 연쇄반응을 일으켜 거대한 에너지를 방출한다.
폴로늄
폴로늄(←, ←)은 화학 원소로 기호는 Po(←), 원자 번호는 84이다. 준금속 원소이며, 방사성을 띤다. 우라늄 광석에서 추출되며, 화학적으로 텔루륨과 비스무트와 비슷한 성질을 가지고 있다. 이때 발견된 것은 반감기 138.401일인 폴로늄 210 210Po이며, 보통 폴로늄이라고 할 때는 이것을 가리키는데, 우라늄-라듐계열의 마지막에 위치하는 방사성원소이며, 라듐 F(RaF)라고도 한다.2006년, 전직 KGB 요원 알렉산드르 리트비넨코를 살해하는 데 사용되었던 우산 끝에서 검출된 물질이다.
우라늄 동위 원소
U-232는 토륨 핵반응으로 생성된 U-233들 중 200ppm가량이 중성자를 흡수함과 동시에 2개 방출하여 생성된다. 붕괴 과정에서 강한 감마선을 내뿜는 동위 원소들이 있어 극히 위험하여 핵폐기물로 분류된다.
리제 마이트너
우라늄의 핵이 중성자를 얻어맞아 쪼개질 가능성은 이미 여러 해 전에 제기된 바 있고, 특히 이다 노다크는 1934년 "핵분열"이라는 말을 처음으로 사용했다. 하지만 한이 제공한 정보에 준경험적 질량공식을 적용하여 그 원자핵의 분열이 구체적으로 어떻게 일어나는 것인지에 관한 이론을 세운 것은 마이트너와 프리슈가 최초였다. 중성자를 맞은 우라늄 원자핵은 바륨과 크립톤으로 쪼개지는데, 이때 여러 개의 중성자와 대량의 에너지를 발생시킨다. 마이트너와 프리슈는 우라늄보다 원자번호가 큰(즉 무거운) 원소는 양성자가 너무 많아서 그 양성자들 사이의 척력이 강력을 초과하기 때문에 자연 상태에 안정적으로 존재할 수 없음을 밝혀냈다. 또한 핵분열 때 발생하는 대량의 에너지를 아인슈타인의 유명한 질량-에너지 등가 공식 E = mc로써 설명한 것도 마이트너와 프리슈가 최초였다.
1938년 12월 보어가 보낸 편지가 이런 착상을 가능케 했다. 보어는 우라늄에 중성자를 쏘았을 때 발생하는 에너지가 비핵분열성 핵에서 계산하여 예측한 바보다 훨씬 크다는 점을 언급했다. 그리고 마이트너와 프리슈가 이 발견이 온전히 화학적으로 설명될 수 있음을 입증한 것이다. 다만 본업이 화학자였던 한은 물리적 과정을 설명하기 위해 화학을 도구로 사용하는 것을 마뜩치 않아했다.
악티늄
부드럽고, 은백색인 금속 악티늄은 공기 중에서 산소 및 수분과 급속히 결합하여 흰색 막의 산화악티늄을 형성하며, 이는 악티늄이 더 산화되는 것을 방지한다. 대부분의 란타넘족과 악티늄족과 같이, 악티늄은 거의 대부분의 화합물에서 대부분 +3의 산화수를 가진다. 악티늄은 오직 우라늄 광석에서 Ac 동위원소로만 발견되며, Ac는 21.772년의 반감기를 띤다. 1톤의 우라늄 광석에서는 0.2밀리그램 정도의 악티늄이 발견된다. 악티늄과 란타넘은 물리적·화학적 성질이 매우 비슷하기 때문에, 우라늄 광석에서 이 둘을 구분하는 것은 불가능하다. 그 대신, 원자로 안에서 Ra에 중성자 선을 쬐였을 때 밀리그램의 양으로 악티늄을 추출해낼 수 있다. 악티늄의 양이 적고, 비싸며 방사성이 있기 때문에 악티늄은 상업적으로 잘 사용되지 않는다. 현재 악티늄은 중성자원을 포함하거나 신체 암세포의 표적을 설정하는 방사선 요법의 약품으로 활용된다.
우라늄정광
처음에는, 우라늄염에서 만들어진 화합물이 밝혀지지 않았었다; 1970년, 미 광산국은 우라늄염을 평삭 공정으로 생기는 최종적인 침전물이며 중우라늄산 암모늄 또는 중우라늄산 나트륨 등으로 지칭하였다. 구성은 여과 과정과 침전물 생성 조건에 따라 다르게 나타났다. 우라늄염 속에서 밝혀진 화합물로는 수산화우라늄, 황화우라늄, 그리고 과산화우라늄 등의 다양한 산화우라늄들이 있다. 현대의 우라늄염은 일반적으로 팔산화 삼중우라늄(UO)이 질량의 70~90퍼센트를 차지한다. 이산화우라늄(UO)이나 삼산화우라늄(UO) 같은 다른 산화물도 존재한다.
우라늄염은 원자로를 위한 연료의 준비에 사용되며, 그 과정을 위해 우라늄염은 순수 UO로 가공되어 가압중수형 원자로(PHWR)를 위한 연료봉이나 천연 우라늄을 사용하는 다른 시스템에 사용된다. 또한 우라늄염은 기체 확산을 사용한 동위원소 분리법 또는 기체 원심 분리법으로, 또는 육플루오르화 우라늄으로 전환하는 방법을 사용해 농축시켜 무기 제작이나 원자로 사용에 적합한 우라늄을 만들어낼 수 있다.
플루토늄
천연 우라늄 광석 중에 포함되어 있다는 것이 알려지기 전까지는 인공으로 만들어진 원소로만 여겨지고 있었다. 초우라늄 원소로, 방사성 원소이기도 하다. 239Pu, 241Pu 그 외 몇개의 동위원소가 존재하고 있다. 반감기는 239Pu의 경우 약 2만 4000년(알파 붕괴). 비중은 19.8로 몹시 무거운 금속이며, 금속 상태의 플루토늄은 니켈을 닮은 은백색의 광택을 갖고 있다. 녹는 점은 639.5℃, 끓는 점은 3,230℃이다.(끓는 점은 실험에 따라 다른 값으로 나타나기도 한다.)
농축 우라늄
농축 우라늄(濃縮 - , )은 농축 과정을 통해 우라늄-238의 비율을 줄이고 우라늄-235의 비율을 높인 우라늄을 말한다. 천연 우라늄에는 우라늄-235의 비율이 0.72%에 불과하다.
알루미늄
자연계에서 미량으로 존재하는 Al은 우주 광선을 통해 생성되며 반감기는 71만 7천 년이다.
생성과정은 우주에서 강한 우주 광선으로 인해 속도가 매우 빠른 양성자가 날아와 Mg의 중성자 한개를 방출하고 대신 양성자 한개가 들어가서 결합되면서 생성된다.
물병자리의 시대
스펜서는 각각의 별자리는 다르지만 동등하다는 현대 점성가들의 견해에 따른다면, 과연 물병자리의 시대가 새 시대의 이상적인 사회로 전망될 수 있겠는가를 묻기도 한다. 그는 지나치게 단순화된 매체와 소비지상주의와 다국적 기업들을 물병자리의 부정적인 본보기일 가능성을 내비췄다. 마지막으로, 스펜서는 원자력이 분명 물병자리 시대의 표명이라고 전하며 우라늄이 소실되는데 걸리는 기간이 25,000년이라는 점에서 점성학적 시대의 26,000년 주기와 유사하다는 의견을 더한다. 하지만, 우라늄 동위 원소 중에서 반감기가 25,000 미만인 것은 전혀 없는데, 자연적인 반감기는 우라늄-238이 약 44,6억년, 우라늄-235가 약 700백만년 그리고 우라늄-234가 245,000년이며, 그것의 부산물 가운데서 플루토늄-239가 약 24,000년의 반감기를 지녔을 뿐이다.
레늄
레늄의 안정한 동위 원소는 Re 하나이며, 자연에의 존재 비율은 37.4%이다. 자연에 62.6% 존재하는 Re는 방사성 동위 원소로, 반감기가 4.35×10년으로 길다. Re는 베타 붕괴하여 일정 비율이 오스뮴으로 바뀌므로 광석의 레늄-오스뮴 연대측정법에도 이용된다. 이외에 25종류의 방사성 동위 원소가 발견되었다.
우라늄-238
핵연료를 쓰게 되면 폐기물인 우라늄-238이 많이 남게 되므로 고속중성자(자원중성자)선속을 이용하여 우라늄-238을 플루토늄-239로 변환하여 쓰려는 시도를 하고 있다. 이는 우라늄-235가 자연계에 적게 매장되어 있고 많은 우라늄-238이 남으므로 핵폐기물도 줄이고 효율적인 원자로 가동을 위해서이다. 이러한 원자로가 바로 고속 증식로이다.
오가네손
오가네손(Oganesson)은 원자 번호 118번의 초우라늄 원소로 비활성 기체의 여러 성질을 공유할 것으로 생각되며, 화학적 성질은 라돈과 비슷할 것이다. 라돈처럼 방사성 기체일 것이며, 유일한 반도체 기체로 추정된다.
전에는 '우누녹튬(ununoctium,Uuo)'이라고 불렀다.
방사성 물질의 불안성을 무시한다면, 오가네손은 라돈이나 제논에 비해 화학적 활성을 띨 것으로 여겨진다. 안정적 산화물(OgO)이나 염화물, 불화물을 이룰 것이다.
초우라늄 원소
초우라늄 원소는 모두 다 인공적인 방법으로 합성하여 발견했다. 플루토늄과 넵투늄을 제외하고는 지구 상에서 자연적으로는 발견되지 않는다. 모든 초우라늄 원소는 방사성을 띠며, 반감기가 짧다.
알루미늄-26
1954년 이전에는 알루미늄-26의 반감기가 6.3초인 것으로 알려져 있었다. 이후, 이 반감기 값이 이성질핵인 Al의 반감기로 알려지면서 바닥 상태의 알루미늄-26을 만들기 위해 사이클로트론에서 마그네슘-26과 마그네슘-25를 중수소와 충돌시키는 실험이 여러 차례 진행되어 현재와 같은 반감기 값이 알려져 있다.
마리 퀴리
이후 퀴리 부부는 아예 공동으로 연구하기로 하고, 지루하고 긴 실험을 반복하며 피치블렌드의 성분을 분리하여 1898년 마침내 베크렐이 연구했던 우라늄보다 감광작용이 4배나 강한 새로운 물질을 찾아내게 된다. 그리고 이 미지의 물질이 두 가지 원소의 혼합물이라는 사실을 밝혀냈으며, 그중 하나를 분리해내는 데 성공하였다. 새로운 원소는 우라늄염보다 400배나 감광작용이 강했다.
우라늄-238
우라늄이 납으로 붕괴되는 붕괴사슬 과정중에 기체 동위체인 라돈-222가 있는데 우라늄이 많이 매장되어 있는 지역에서의 지하에는 라돈의 방사선으로 연간 100~300mSv가 관측되는 지역도 존재한다.
우라늄 동위 원소
자연계에 존재하는 우라늄(U)의 동위 원소는 원자량 234, 235, 238이 존재한다.
나머지는 인공적으로 만들어지는 동위원소들이다.
극미량이 토륨과 우라늄-235, 238의 자발적 핵분열로 U-233, U-236, U-237, U-239, U-240가 생성되어 자연계에 존재하기는 하지만 극미량이라 무시된다.
얼마나 극미량이냐면 반감기가 긴 U-236도 1조 3천억분의 1의 양이 우라늄 광석에 함유되어 있으며 U-235의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자를 U-235원자가 중성자 한개를 흡수함으로써 생성된다. (순수 천연 우라늄 1kg에 1조 9천억개의 우라늄-236 원자가 들어있다는 뜻)
U-233은 토륨-232의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자를 토륨-232가 1개 흡수함으로써 생성된다. 나머지 U-237과 U-239도 그런식으로 극미량 존재한다.
U-240은 극미량 존재 동위 원소인 Pu-244의 알파붕괴로 생성, Pu-244는 반감기가 8000만년이나 되기 때문에 자연계에 극미량 존재한다. 하지만 U-240의 반감기가 매우 짧아서 초극미량이라 관측되지는 않았지만 Pu-244가 극미량 존재하므로 분명히 U-240도 자연계에 극미량 존재했다가 사라졌다 극미량 존재했다 사라졌다를 반복하고 있다.
우라늄
우라늄을 농축시키는 데 육플루오린화우라늄을 많이 사용하는데, 화학적 반응은 이렇다.
악티늄족
악티늄족은 모두 방사성 원소이며 붕괴할 때 에너지를 발생시킨다. 자연적으로 만들어진 우라늄과 토륨, 그리고 인공 합성할 수 있는 플루토늄은 지구에 다량으로 존재하는 악티늄족 원소이다. 이 원소는 원자로와 핵무기에 쓰인다. 우라늄과 토륨도 역사적으로나 다양한 곳에 쓰이고, 아메리슘은 이온화 상자나 대부분의 현대적 연기 감지기에 쓰인다.
플루토늄-239
플루토늄-239(Pu)는 플루토늄의 동위 원소로, 원자력 발전소에서 사용하고 남은 원료에서 우라늄-235와 함께 다량 발견되는 동위체이다.
반감기는 2만 4110년으로 알파 붕괴를 통해 우라늄-235로 붕괴된다.
94개의 양성자와 145개의 중성자로 이루어져 있다.
원자로
대부분의 원자로에서는 천연 우라늄(99.2745%는 우라늄 238, 0.72%는 우라늄 235, 0.0055%는 우라늄 234)보다 우라늄 235를 좀 더 농축한 농축 우라늄(2~4%)을 연료로 쓴다.
우라늄 레이저 농축법
핵폭탄 한 개를 만들려면 우라늄 235가 20 kg 정도 필요하다. 이를 위해선 천연 우라늄 3.5톤이 든다. 레이저 농축법은 가스확산법과 같은 막대한 에너지나 열량을 소모하지 않으며 원심분리법의 우라늄 낭비 폐단도 없다. 막대한 시설이나 공장부지도 필요없다. 2시간 단위로 한 사이클이 계속되며, 우라늄 235 20kg를 얻는데, 30만초, 즉 3.5일밖에 안 걸린다고 한다. 이것은 지하 아지트에서 손쉽게 핵폭탄을 만들 수 있는 가능성을 동시에 열어놓는 것이다.
우라늄-235
이렇게 중성자 흡수재를 첨가하면 제어봉과 펠릿 내부의 흡수재가 중성자를 흡수하여 안정적인 핵분열이 가능하게 된다.
이산화 우라늄
결정구조는 형석(CaF)형의 면심 입방체형으로서 격자상수의 평균값은 5.470 Å , 밀도는 10.96 g/cm 이다. 일반적으로 옐로케이크((NH)UO)을 정제 및 환원하여 제조한다.
중성자
중성자는 핵반응에서 중요한 역할을 한다. 예를들면, 중성자 포획(neutron capture)은 중성자 활성화(neutron activation)를 일으키고 결과적으로 방사능을 띠게 된다. 특히, 중성자는 원자로와 핵무기 분야에서 중요하다. 우라늄-235나 플루토늄-239 등의 핵분열성(fissile) 물질은 중성자를 흡수하며 핵분열을 일으킨다.
4세대 원자로
경수로는 천연 우라늄의 0.7%도 안 되는 우라늄 235를 연료로 사용한다. 그러나 고속증식로는 천연 우라늄의 99.7%를 차지하는 우라늄 238을 연료로 사용한다. 우라늄 238에 고속중성자를 쏘여 플루토늄 239로 만들고 다시 이것이 핵분열을 해서 발전하는 원리이다. 0.7대 99.7이므로 우라늄의 이용율이 100배로 높아진다.
알루미늄-26
알루미늄-26은 72만 년의 반감기를 거쳐 안정 동위 원소인 마그네슘-26으로 붕괴한다. 이를 이용하여 지구로 떨어지면서 우주선에 의해 알루미늄-26이 누적된 운석의 연대를 측정하는데 사용되며, 운석 외에도 해양 퇴적물, 빙하, 암석 속의 석영, 망간 단괴 등의 연대를 측정할 때도 쓰인다. 또, 베릴륨-10(Be)과의 존재 비율을 측정하면 수십만 년에 걸쳐 일어난 물질의 이동을 파악하는데 쓰이기도 한다.
대한민국의 핵무기 개발
2014년 한해 동안 한국의 우라늄정광 수입량은 6천톤이다. 5%인 300톤을 빼돌려도 국제감시망으로는 알 수가 없다. 우라늄정광에는 0.7%의 우라늄-235가 함유되어 있으며, 300톤의 우라늄 정광이면 농도 100% 우라늄-235를 2.1톤 추출할 수 있다. NRDC 등 핵무기 연구기관의 분석으로는 농도 100% 우라늄 235 5 kg이면 200 kt 수소폭탄을 만들 수 있다. 2.1톤이면 200 kt 수소폭탄 420발 분량이다. 10년이면 4200발 분량이다.
테크네튬 동위 원소
반감기가 21만 1100년으로 절멸 핵종이지만 우라늄의 자발 핵분열로 인해 자연계에 미량 존재한다. 원자로의 핵분열 생성물들 중 많은 비율로 생성되므로 매년 500톤 이상 생성된다. 백금처럼 아름다운 빛깔을 띄며 레늄과 성질이 비슷한 보석계통의 원소이지만 방사성 동위 원소이므로 위험해서 실생활에는 쓰이지 않는다.
핵연료 주기
토륨연료주기가 이점이 있지만, 현재 대부분 핵연료에 사용하는 방사성 동위원소는 우라늄 235(U), 우라늄 238(U), 플루토늄 239(Pu)가 쓰인다. 몇몇 원자로의 보조 감속재로 쓰이는 토륨은 지각에서 우라늄보다 3배(U의 550배) 풍부하지만, 현재 탐사가 부족해 산출자원이 적다. 토륨은 특정국가, 특히 인도에서 우라늄보다 많이 분포한다.
전기 전도체
알루미늄 와이어는 구리전도성의 61%를 가지고 있는데, 낮은 가격 때문에 빌딩와이어에 자주 쓴다. 질량에 비해 구리보다 더 높은 전도성을 가지는데, 알루미늄의 성질이 빌딩와이어로 쓰일 때 문제를 일으킨다. 알루미늄은 연결부위에 열을 일으키는 산화물을 형성한다. 또 열이 과부화 되면, 장치연결을 느슨하게 하면서 모양이 변형될 수 있다. 또 연결면의 다른 물질들과 다른 열팽창계수를 가지고 있어서, 연결을 느슨하게 하는데 가속을 가한다. 하지만 이런 효과들은 배선알루미늄 제품으로 사용이 승인된 장치를 사용하여 피할 수 있다.
핵무기 설계
20% 이상의 U-235가 포함된 우라늄은 매우 농축된 우라늄이라고 하며, 무기로 사용할 만한 우라늄은 적어도 93.5%의 U-235를 지녀야 한다. U-235의 자발 핵분열 비율은 1 kg당 매 초 0.16 핵분열이며, 이러한 낮은 핵분열 비율로 인해 초임계를 달성하기 위한 두 핵분열성 물질의 결합 과정은 상대적으로 쉽다. 중성자 반사재가 없는 U-235 구의 임계 질량은 약 50 kg으로, 직경 약 17 cm의 구이다. 만약 구를 둘러싼 중성자 반사재가 있다면, 임계 질량은 15 kg 정도로도 낮아질 수 있다.
노르웨이 중수 사건
우라늄의 가장 많은 동위 원소 우라늄 238은 원자 폭탄의 원료로 사용될 수 없지만, 수소 폭탄에서 2차 핵분열 물질로 사용될 수 있다. 우라늄 238은 플루토늄 239 생산의 주 원료로 사용할 수 있다. 우라늄 235의 핵분열로 발생된 중성자는 우라늄 238에 흡수되어 우라늄 239가 생성된다. 며칠 후 우라늄 239는 붕괴되어 무기로 사용할 수 있는 플루토늄 239가 된다.
우라늄-235
초장기 지구 시절때 우라늄-235는 지각에 2ppm의 농도로 함유되 있던 시절이 있었다. 당시 우라늄-235는 주석만큼이나 풍부하였다.
하지만 반감기가 우라늄-238에 비해 월등히 적기 때문에 급격히 줄어들어 현재는 0.7204%까지 함유량이 줄게 되었다.
농축 우라늄
U 비율이 20%가 넘는 농축 우라늄이다. 핵무기에서 핵분열 연쇄 반응을 일으키는 데 사용된다. 원자력 잠수함등에서 사용되는 고속 중성자로에도 U 비율이 50%가 넘는 농축 우라늄을 사용한다.
캘루트론
캘루트론()은 우라늄의 동위 원소인 우라늄-238과 우라늄 235를 분리하기 위해 어니스트 로런스가 고안한 질량 분석기이다. 강한 자기장에 놓인 입자는 고유 진동수에 따라 운동량이 다르다는 점에 착안한 일종의 입자 가속기인 사이클로트론을 이용하여 제작되었다. 캘루트론이란 이름은 캘리포니아 대학교(CALifornia University)와 사이클로트론(cycloTRON)을 결합하여 만든 말이다.
이산화 우라늄
이산화 우라늄 (UO)는 우라늄의 산화물로, 우라늄(IV), 우래니아()라고도 부르며 천연 우라니나이트에서 얻을 수 있고, 검은 색의 결정 분말 형태로 방사능 물질이다. 연료봉으로 만들어 원자력 발전소에 핵 연료로 쓰인다. 이산화 우라늄은 이산화 플루토늄과 합쳐 혼합 산화물 연료로 만든다. 1960년대 이전에는 세라믹스 유약과 유리에 넣어 노란색과 검은 색을 내는데 쓰였다.
우라늄-238
일반 원자로인 경수로에는 우라늄-238이 95.5%의 비율로 들어가게 된다. 이 중 1.9%가 플루토늄-239로 변하고 0.9% 가 핵분열을 하게 된다. 0.1%인 일부는 중성자를 흡수하여 초우라늄 원소인 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨이 생성된다.
우라니나이트
우라니나이트는 우라늄의 주요 광물이다.
프로젝트 23000E
우라늄-235 20% 농도인 저농축우라늄(LEU)를 핵연료를 사용하는 프랑스의 K15 원자로는 핵연료 재장전 주기가 10년인데, 러시아는 이보다 3년 짧다.
우라늄-235
핵분열이 되기 때문에 핵연료로 쓰인다. 하지만 자연계에는 0.7204%밖에 존재하지 않기 때문에 농축하게 된다. 일반 경수로에는 4.5%까지 농축하며, 실험용 원자로의 경우, 경우에 따라 10%~60%까지 농축하기도 하며 중수로에는 농축하지 않고 천연연료를 제조해서 집어넣어 사용할 수 있다.
선박용 원자로나 잠수함에는 최대 95%까지 농축하여 사용하기도 하는데 중성자 흡수재인 가돌리늄이나 사마륨을 첨가하여 핵연료를 제조한다.
물론 일반 원자로의 핵연료에도 중성자 흡수재인 가돌리늄, 사마륨, 디스프로슘 등을 첨가하여 펠릿을 제조하는데 잉여 중성자가 넘쳐나서 핵분열이 과도하게 일어나는 것을 막기 위해서이다.
농축 우라늄
농축하는 데는 막대한 전력과 비용이 들고 많은 천연우라늄이 허비된다. 우라늄의 농축이 곤란한 것은 우라늄-235와 우라늄-238의 화학적인 성질이 같기 때문에, 겨우 1.3%의 원자의 무게의 차이를 이용하여 물리적 방법으로 그것들을 분리하는 수밖에 없는 까닭이다. 그 방법으로는 다음과 같은 것이 있다.
농축 우라늄
우라늄을 액체의 화합물로서 동심원통상(同心圓筒狀)의 용기 사이에 넣는다. 안쪽을 덥게 하고 바깥 쪽을 차게 해 두면 대류(對流)가 생김과 동시에 가벼운 성분은 고온쪽에, 무거운 성분은 저온쪽에 모인다.
우라늄 레이저 농축법
미국은 원자력 발전 핵연료인 농축 우라늄의 차세대 기술인 레이저 농축법(ALVIS)를 채택하기로 결정했다. 기존의 원심분리법(AGC)보다 더 발전된 최신기술이다. 생산원가가 싸고 농축 우라늄의 경쟁력을 회복하기 위한 것이다. 1985년 현재 세계 추세는 가스확산법에서 원심분리법으로 이행, 일본이나 유럽에서는 원심분리법으로 상업적 우라늄 농축을 하고 있다. 미국의 정책 변경은 이들 국가에 큰 영향을 줄 것으로 예상되고 있다.
초우라늄 원소
원자 번호 1에서 92까지의 원소는 네 종류(Tc, Pm, At, Fr)를 제외하고는 지구 상에서 어렵지 않게 발견할 수 있다. 안정 원소이거나, 반감기가 긴 동위 원소가 있거나, 우라늄의 붕괴 생성물이다.
노심
가압수형 원자로 또는 비등수형 원자로의 내부에는 노심 내부에 있는 다른 구조물로는 제어봉이 있는데, 그 내부는 중성자를 쉽게 잡아둘 수 있는 붕소나 하프늄, 카드뮴 같은 물질들의 펠렛으로 채워진다. 제어봉은 노심으로 삽입되면 중성자를 흡수하여 연쇄반응을 하지 못하게 하며, 제어봉을 인출시 더 많은 중성자들이 핵분열성 우라늄-235(U)나 플루토늄-239(Pu)의 핵에 부딪혀, 연쇄 반응은 격렬해진다. 핵분열 반응으로 발생하는 열은 주변의 경수나 중수에 의해 제거되는데, 경수나 중수는 중성자 반응을 완화시킨다. 단, 경수의 경우 중수보다 중성자 흡수율이 높기에 우라늄의 농축도가 더 높은 농축 우라늄이 꼭 필요하다.
우라늄
결국 플루오린화물인 육플루오린화 우라늄 UF6를 이용하여 그 기체에서 확산 속도의 차에 의한 물리적 방법이 채용되었다. 즉, 기체로 변화시킨 경우의 235UF6와 238UF6에서는 분자 1개의 무게가 1 % 정도 다르므로 많은 구멍을 뚫은 벽에 혼합기체를 흐르게 하면 가벼운 것이 다소 빨리 흐르게 되고 이것을 수없이 반복시킴으로써 농축시킬 수 있다. 또 232Th를 원자로 내에서 235U의 열중성자류에 접촉시키면 232Th로부터 233Pa을 거쳐 233U이 얻어지는데 이것은 235U나 239Pu와 같은 연쇄반응을 일으키므로 원자로 연료로 중요하다.
니호늄
니호늄(Nihonium)은 화학 원소로 기호는 Nh, 원자 번호는 113이다. 초우라늄 원소의 일종이며 다른 초악티늄족 원소에 비해 반감기가 길다고 생각된다. 모스코븀의 알파 붕괴 과정에서 실험적으로 약 1.2초간 관측되었다는 연구 결과가 있다. 일본 이화학연구소의 보고에 따르면, 344마이크로초에 붕괴한다고 한다. 이 원소는 주기율표에서 탈륨의 아래에 위치해 있으므로 탈륨과 비슷하게 상온에서 고체일 것으로 추측된다.
2016년 3월, 이화학연구소 연구팀 리더인 모리타 고스케 교수는 새 원소의 이름으로 니호늄(Nihonium)을 IUPAC에 통보했다. IUPAC은 다른 사람의 의견을 들은 후, 2016년 말에 공식적으로 원소 이름을 결정한다.