우라늄의 원소 기호는 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.
천연 우라늄
천연 우라늄(natural uranium, NU, U)은 자연적으로 존재하는 우라늄을 말한다. 99.3%의 우라늄-238, 0.7%의 우라늄-235, 미량의 우라늄-234로 이루어져 있다. 방사능의 양으로 보면 우라늄-238이 48.6%, 우라늄-235가 2.2%, 우라늄-234가 49.2%이다.
우라늄 동위 원소
중성자를 먹으면 스스로 핵분열을 하기 때문에 원자로 뿐 아니라 핵무기에도 이용하고 있다.
우라늄-235의 자발핵분열로 인해 튀어나오는 중성자 덕분에 순도 100%의 우라늄-235가 54kg이 모이면 스스로 폭발할 수 있는데 이것을 임계질량이라고 한다. 중성자 반사제를 이용하면 15kg까지 임계질량을 줄일 수 있다.
레늄
한편, 그보다 이전인 1909년에 일본 화학자 오가와 마사타카(←)는 43번 원소를 발견했다고 발표하고는 '일본(日本)'의 일본어식 발음인 '닛폰(←)'에서 이름을 따 '닛포늄(nipponium)'이라는 이름을 붙이고 Np라는 기호를 사용하였다. 그러나 이는 인정받지 못했고, 이후 2004년 같은 일본 과학자의 분석 결과 레늄인 것으로 판정되었다. 현재 Np는 넵투늄의 기호로 사용되고 있다. 또한 "일본"의 또다른 일본어 발음인 '니혼(←)'에서 따온 '니호늄(nihonium)'은 113번 원소의 이름으로 채택되었다.
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.
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.
칼리머-600
경수로는 천연 우라늄의 0.7%도 안 되는 우라늄 235를 연료로 사용한다. 그러나 고속증식로는 플루토늄을 핵연료로 사용한다. 천연 우라늄의 99.7%를 차지하는 우라늄 238에 고속 중성자를 쏘여 플루토늄 239로 만들고 다시 이것이 핵분열을 해서 발전하는 원리이다. 0.7대 99.7이므로 우라늄의 이용율이 100배로 높아진다.
악티늄족
우라늄과 토륨은 처음으로 발견된 원소였다. 우라늄은 1789년에 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트가 피치블렌드 광석에서 발견되었고 인정되었다. 그는 천왕성에서 원소의 이름을 고안했다. 다른 과학자보다 단 8년 빠르게 발견한 것이다. 클라프로트는 피치블렌드를 질산에 담가 녹인 상태에서 수산화나트륨에 중화시키고 촉진시켜 (이우라늄산 나트륨 같은) 노란색 화합물을 만들었다. 그는 목탄과 발견한 노란 가루를 환원시켰고, 검정색 물질을 추출했다. 60년이 지난 뒤에, 프랑스의 과학자 페리고가 산화 우라늄을 발견했다. 또한 그는 사염화 우라늄과 칼륨을 함께 가열하여 금속 우라늄을 분리해냈다. 우라늄의 원자량은 120으로 계산되었었으나, 1872년에 드미트리 멘델레예프가 그의 주기율법을 통해서 240으로 밝혀내었다. 이 질량은 1882년에 K. 지머맨에 의해 실험적으로 밝혀졌다.
라듐
라듐의 모든 동위원소들은 방사능이 있고, 연구 목적을 위하여 라듐을 인공적으로 제조한다. 지구상에 매우 희귀하기 때문에 우라늄 광석 10 톤에 1g도 채 들어있지 않다. 매우 작은 규모의 라듐은 액체 상태의 염화 라듐(RaCl)의 전기 분해에 의해 제조할 수 있다. 이는 처음에 수은 음극을 사용하여 라듐 아말감을 제조한다. 금속은 증류에 의해 아말감으로부터 얻었다.
라듐은 은과 같은 흰색 계통의 무른 금속이다. 강력한 방사선을 내놓기 때문에 위험하다. 퀴리부인의 사망도 실험과정에서 쬐인 방사선에 의한 피폭이 주 원인이었다.
88번 원소이고 2족이기 때문에 원자의 산화수는 +2이다. 그때문에 전자가 2가 음이온과 반응을 일으킬 수 있다.
인체에 매우 위험하다. 라듐을 발견한 마리 퀴리의 이름을 딴 퀴륨은 방사성전지에 쓰인다.
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.)
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.
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.
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.
아인슈타이늄
아인슈타이늄(←, ), 아인시타이늄 또는 아인스타이늄은 화학 원소로 기호는 Es(←), 원자 번호는 99이다.
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.
하프늄
하프늄(←, ←)은 화학 원소로 기호는 Hf(←), 원자 번호는 72이다. 은회색의 광택이 있는 전이 금속으로, 화학적으로 지르코늄과 비슷하고 지르코늄을 함유한 광석에서 함께 발견된다. 1869년 드미트리 멘델레예프가 하프늄의 존재를 처음으로 예상하였고 1923년 발견되어 안정한 원소 중에서는 마지막에서 두 번째로 발견된 원소가 되었다. 원소가 발견된 도시인 코펜하겐의 라틴어 지명 하프니아(Hafnia)에서 이름을 땄다.
악티늄족
악티늄족에는, 원시적으로 자연에 일정량 존재한 토륨과 우라늄, 그리고 적은 양이지만 플루토늄이 존재한다. 우라늄의 방사성 붕괴는 잠깐동안 악티늄과 프로탁티늄, 그리고 넵투늄 원자를 만들어 낸다. 그리고 플루토늄은 가끔 우라늄 광석에서 핵변환 반응을 만들어 낸다. 다른 악티늄족은 모두 인공 합성으로 만들어진 것이다. 핵무기 실험은 플루토늄보다 무거운 적어도 여섯 개의 악티늄족을 발견하게 했다. 1952년 수소 폭탄 폭발 잔해를 분석하던 중 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄 그리고 페르뮴을 발견했다.
이산화 우라늄
이산화 우라늄은 반도체로서 전기 전도도는 온도가 상승함에 따라 지수 함수적으로 증가하며, 열전도도는 0.02 ~ 0.10 W/cmsec°C 로 온도상승에 따라 감소한다. 융점은 약 2,850 °C이며, 증기압은 1,700 °C 근방에서 현저하게 증가하여 융점에서 100mmHg에 이른다. 매우 작은 입자로 이루어진 분말은 상온에서 공기 중의 산소와 반응하여 UO(X=0.00 ~ 0.33)가 되지만 소결체는 비교적 안정적이다. 공기중이나 산소 분위기에서 온도를 올리면 약 400 °C 이하에서는 UO(UO)로 산화되며, 그 이상이면 UO을 형성하여 발열한다. 원자로에서 사용되는 조성은 UO ~ UO 이며 피복관과의 양립성은 양호하다. 이산화 플로토늄과는 고용(固溶)성을 갖는다.
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
넵투늄 산화 우라늄 플루토늄 핵무기 농축 우라늄 우라늄의 동위원소 우라늄 매장국 순위
핵연료
핵연료는 발전용 원자로 내에서 중성자를 흡수해 핵분열을 일으킴으로써 열을 발생시키는 데 필요한 재료이며, 연구용 원자로에서는 핵분열을 일으켜 중성자와 열을 생산하는 물질로 사용되고 있다. 현재 가동 중인 국내 원자력발전소는 가압경수로형과 가압중수로형이 있다. 경수로형에서는 우라늄-235 함량 3~5%의 농축우라늄을 연료로 사용하고 있으며, 중수로형에서는 우라늄-235 함량 0.7%의 천연우라늄을 그대로 쓰고 있다. 또한 연구로에서는 대부분 20% 농축도의 우라늄을 핵연료로 사용하지만, 초창기 연구로에서는 90% 이상 고농축 우라늄이 쓰이기도 했다.
이트륨
이트륨(←, ←)은 화학 원소로 기호는 Y(←)이고 원자 번호는 39이다. 은색을 띠는 전이 금속으로 희토류 원소 중 가장 흔하다.
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.
플루오린
플루오린(←) 또는 플루오르(←), 불소(弗素←)는 할로젠에 속하는 화학 원소로 기호는 F(←), 원자 번호는 9이다. 플루오린 분자는 상온에서 옅은 황록색 기체로, 다른 할로젠 원소와 마찬가지로 맹독물이다.
글렌 T. 시보그
1934년부터 1940년까지 우라늄원소보다 더 큰 원자번호를 가지고 있는 초우라늄 원소를 찾기 위한 노력을 했으나, 핵변환 실험으로는 너무 미소한 분량이 만들어지기 때문에 화학적으로는 분리할 수가 없었다. 1940년 초 사이클로트론을 사용한 실험에서 최초로 93번 원소가 분리되었는데, 이 원소가 넵투늄이다.
핵연료 주기
채광된 우라늄 광물은 일반적으로 제분 과정을 거쳐 균일한 크기의 가루가 되어 화학적 여과 과정을 거치게 된다. 정련과정을 거치게 되면 우라늄 광석은 노란색 가루로 변하는데, 이를 우라늄정광 혹은 옐로케이크라고 부르며, 우라늄 광석시장에 팔리게 된다.
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.
크로뮴
크로뮴(←) 또는 크롬(←)은 주기율표의 6족에 속하는 화학 원소로 기호는 Cr(←)이고 원자 번호는 24이다. 은색의 광택이 있는 단단한 전이 금속으로, 부서지기 쉬우며 잘 변색되지 않고 녹는점이 높다.
악티늄족
초우라늄 원소들은 자연에서 발견되지 않거나 거의 없으며, 주로 핵반응에 의해 만들어진다. 핵 원자로에서 주로 만들어진다. 대표적 예로, 원자로 중성자에 조사(照射)를 하여, 우라늄-238이 부분적으로 플루토늄-239로 변환되기도 한다:
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.
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.
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.
우라늄
분류:악티늄족 분류:화학 원소 분류:핵물질 분류:핵연료
우라늄 동위 원소
가장 핵심인 우라늄의 동위 원소로 현재 원자로의 주역인 동위체이다. 열중성자 핵분열 효율이 78~82%에 이르고 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 66~67%에 이르러 핵연료의 핵심으로 이용하고 있다. 우라늄-235의 반감기는 7억 380만년으로 비교적 짧아 자연계에 아쉽게 0.7%밖에 존재하지 않지만 44억년전 지구 초창기 시절에는 천연 동위체에 20%나 존재했었다.
아메리슘 동위 원소
아메리슘은 인공 원소로 표준 원자량은 정해져 있지 않고 안정 동위 원소는 정해져 있지 않다. 최초로 발견된 아메리슘 동위 원소는 Am로, 1944년에 발견되었다. 자연에서는 우라늄 원자의 중성자 포획의 붕괴 생성물로써 미량 존재한다.
아스타틴
아스타틴(←)은 화학 원소로 기호는 At(←), 원자 번호는 85이다. 지금까지 발견된 비금속 중에서 가장 무거운 원소이며, 우라늄이나 토륨이 붕괴하면서 생성되는 방사성 원소이다. 매우 불안정하며 30개의 동위원소가 모두 방사성 붕괴를 한다. 가장 안정한 동위 원소는 원자량이 209.987이고, 반감기는 8시간이다. 화학적 성질은 아이오딘과 매우 비슷하나, 화학반응 도중 아이오딘보다 전자를 잃기 쉽고, 받기는 어렵다.
방사성 폐기물
미국의 규정에 따르면, 초우라늄 폐기물은 어디서 만들어졌는지 상관없이 알파선을 방출하고 반감기가 20년보다 긴 초우라늄 방사성 핵종에 오염된 폐기물을 말한다. 또한 이들은 고수준 폐기물은 제외하고 농도가 100nCi/g(nCi : 나노퀴리)보다 높아야 한다. ‘초우라늄’이라 함은 우라늄보다 원자번호가 큰 원소들을 말하는데, 이들의 긴 반감기 때문에 초우라늄 폐기물은 저준위 폐기물과 중준위 폐기물들보다 조심스럽게 처리된다.
루테늄
루테늄(←, ←)은 화학 원소로 기호는 Ru(←), 원자 번호는 44이다. 백금족에 속하는 희귀한 전이 금속으로, 백금 광석에서 함께 산출되며, 백금 합금에 촉매로 쓰인다. 라틴어로 루스인의 땅을 뜻하는 루테니아에서 비롯되었다.
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.
오토 한
두 사람은 초우라늄원소의 추출 과정에서 특이한 현상을 발견한다. 담체로 사용했던 바륨과 란탄이 방사성원소로 변한다는 것이었다. 이에 대한 물리학적 원인을 마이트너에게 문의했고, 마이트너는 우라늄핵이 분열이 되었을 가능성을 제기했다. 천연우라늄에 0.8% 정도 섞여 있는 우라늄-235가 중성자를 흡수해 질량이 비슷한 바륨과 란탄의 원자핵으로 분열한 것으로, 방사선은 이 핵분열의 일부로 발생한 것이라는 해석이었다. 오토 한과 슈트라스만은 이 사실을 증명하기 위한 실험에 착수하여 실제로 그것을 증명해냈다.
운트리닐륨
운트리닐륨(Untrinilium)은 미발견된 원소의 임시 이름으로 원소 기호는 Utn, 원자 번호는 130번이다.
저마늄
저마늄(←) 또는 게르마늄(←)은 화학 원소로 기호는 Ge(←)이고 원자 번호는 32이다. 독일의 화학자 빈클러가 1886년 발견한 반도체 물질로서 구리, 납, 아연 등의 광석을 정제하는 과정에서 얻어진다. 푸른빛이 감도는 회백색의 광택이 있고 단단한 준금속 원소로 규소나 주석과 화학적 성질이 비슷하다. 다양한 유기금속 화합물을 형성하며, 정류기, 트랜지스터, 반도체 등의 전자공학 분야에 널리 쓰이는 재료이다. 지각에는 50번째로 많이 존재하는 원소이다.
우라니나이트
모든 우라니나이트에는 우라늄의 붕괴 생성물로 인해 소량의 라듐이 함유되어 있다. 또한 모든 우라니나이트엔 우라늄의 최종 붕괴형태인 Pb-206과 Pb-207이 소량 들어있다. 또한 알파 붕괴로 인해 소량의 헬륨도 들어 있다. 헬륨의 경우 첫 발견은 태양의 대기에서 발견되었으나, 그 후 우라니나이트를 분광하면서 지구상에서 발견하게 되었다. 또한 우라늄 238의 자연적인 분열로 인해 극미량(약 0.2 ng/kg)의 테크네슘도 찾을수 있다.
핵연료 주기
우라늄 광석은 다른 금속을 채광하는 것과 같이 노천채광과 지하채광을 한다. 그중 원위치용액채광법은 미국에서 많이 쓰이고 있는데, 우라늄이 함유된 광물을 녹여, 일정한 간격을 둔 우물로 용해물을 끌어 올려, 지상의 공장에서 다시 용해물을 고체화 시킨다. 미국에서 채굴하는 우라늄 광석에는 0.05 ~ 0.3%의 우라늄 옥사이드(UO)가 함유되어 있다. 우라늄 광상은 다른 나라에서도 개발되는데, 미국의 우라늄 광상보다 질이 좋고, 우라늄 수치도 높다. 또한 우라늄은 100만중 50 ~ 200 비율로 해양에서 유래된 인광석에 포함되어 있으며, 매우 낮은 함량에도 불구하고 증기를 이용하여 경제성 있게 회수하고 있다.
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.
핵연료
한편, 연구용 원자로들은 대부분 출력되는 열이 많지 않고, 운전온도가 낮아서 초기에는 알루미늄과 90% 이상 고농축우라늄 합금을 연료로 사용했으나, 이후에는 농축도를 20%로 낮춘 우라늄과 실리콘 합금으로 만든 심재를 알루미늄 피복으로 감싼 연료봉을 주로 사용하고 있다. 우리나라의 연구용 원자로인 ‘하나로’도 이러한 연료봉을 사용하고 있다. 하지만 최근 핵연료 성능을 더 높인 우라늄과 몰리브덴 합금의 핵연료가 개발되어 부산시 기장구에 건설 중인 연구로에는 우라늄과 몰리브덴 합금 핵연료를 사용할 예정이다.
우라늄
자연에서 발견되는 우라늄 원자 중에서 가장 풍부한 우라늄 원자는 우라늄-238이며, 99.2742%를 차지한다. 그 다음이 원자력 발전소의 원료와 핵폭탄 제조에 많이 쓰이는 우라늄-235이며 0.7024%를 차지한다. 우라늄-235는 유일하게 핵분열을 할 수 있으며, 천연에서 매우 적은 비율을 차지하기 때문에 정련하여 옐로케이크라는 우라늄-235가 많은 농축우라늄을 만들어 낸다.
핵무기 설계
우라늄-233(U-233)은 인공적으로 만들어진 동위원소이다. 핵반응로에서 토륨-232로부터 만들어진다. U-233의 분열 특성은 U-235와 Pu-239의 중간 정도이다.
플루토늄 동위 원소
원자로에서 우라늄-235가 중성자를 먹고 우라늄-236이 된 후 이것이 중성자를 2개 흡수하여 생성된다.
플루토늄-238은 1kg당 567W의 에너지를 내뿜기 때문에 원자력 전지의 원료가 된다.
하지만 원자로내에서는 Pu와 Pu도 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.
핵폭발
모든 물질은 그 물질 고유 특성을 그대로 가진 최소단위인 원자 집합체이며, 원자는 각각 다른 특성을 가진 103종의 원소들 중 몇 개로 결합된 입자이다. 핵폭발의 원료로 쓰이는 우라늄, 플루토늄, 코발트는 원소의 한 종류이다. 핵폭발은 재래식 폭발과 달리 원자핵내의 반응에 따라 다른 원자핵이 생성되면서 발생하는 현상이다. 우라늄(U)의 원자핵에 가속된 중성자를 충돌시키면 분열하면서 높은 에너지와 더불어 감마선 등의 방사선과 평균 2개의 중성자가 방출된다. 이 2개의 중성자가 다시 다른 원자핵에 충돌하는 연쇄반응이 핵분열 반응이다. 히로시마에 사용된 핵연료는 우라늄(U)이고, 나카사끼에서는 플로토늄(PU)가 사용되었으며 둘 다 모두 순수한 핵분열탄으로 원자폭탄이다. 반면에 삼중수소와 중수소의 두 개의 원자핵이 모여 하나의 무거운 헬륨 원자핵을 만드는 핵융합을 이용한 것은 수소폭탄이다.
우라늄-235
핵연료에는 우라늄-238이 많이 있더라도 다음 동위체인 플루토늄-239가 중성자를 많이 내며 우라늄-235도 열중성자로에서 2.28개의 중성자를 내뿜고 핵분열 효율이 82%에 이르기 때문에 중성자 흡수재를 첨가해야 한다.
천연 우라늄
경수로나 핵무기에 쓰이기에는 천연 우라늄은 우라늄-235의 비율이 낮아, 농축 우라늄을 사용한다.
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.
핵연료
이산화 우라늄은 검은색 고체 반도체이다. 이것은 암모니아로 만든 질산 우라닐을 고체 형식의 암모늄 우라늄산염으로 만들어낸다. 이걸 다시 UO로 하소한후에 아르곤 / 수소 혼합기체로 700도이상의 열을 가해서 UO로 만들어 갈아낸 후에 압력을 가해 펠릿으로 만든후, 이 펠릿에 높은 열을 가해서 소결하게 된다.
천연 우라늄
탄소 감속 원자로나 중수 감속 원자로에서는 천연 우라늄을 핵 연료로 사용한다.
우라늄-235
당시 우라늄-235의 우라늄 광석의 함유 비율은 25%가 넘게 함유되어 있던 적도 있었기 때문에 그 자체로도 핵연료로 이용가능했었다.
또한 우라늄-235의 붕괴열은 초기 지구의 내부 지열에 상당히 기여했었다.
지금은 지각에 불과 19.5ppb밖에 함유되어 있지 않아 지구 초기랑 비교시 100분의 1 이상 줄어들었다.
4세대 원자로
가장 큰 특징은 세라믹으로 둘러싸인 우라늄입자를 원료로 사용한다는 점이다. 지름이 0.5mm인 우라늄을 세라믹으로 3중 코팅해 직경 0.9mm의 '피복입자'를 만든다. 크기가 작을 뿐만 아니라 특수코팅 처리가 돼 있어 우라늄이 직접 공기 중에 노출될 일이 없다.
VHTR은 피동안전개념을 채택하고 있다. VHTR은 사고가 발생할 경우, 우선 핵연료에서 발생하는 잔열이 원자로용기(reactor vessel)로 전달되고, 다시 피동안전장치인 원자로공동냉각장치(RCCS)로 전달된다. 그런 다음, 장치 내부에서 가열되어 가벼워진 공기가 상부의 '자연순환 상승관', 즉 굴뚝(chimney)을 통해 외부로 배출된다. 가열된 공기가 빠져나간 공간에 외부의 찬 공기가 흡입되고, 다시 가열되어 배출되는 자연순환 과정이 반복되는 것이다. 격납용기 내부를 공기로 식히기 때문에, 설령 용기가 파손된다 해도 공기가 원자로를 더 잘 식혀줄 수 있다.
우라늄
UO2 + 4HF + 열 (500°C) → UF4 + 2H2O
라돈
라돈(←, )은 화학 원소로 기호는 Rn(←), 원자 번호는 86이다. 라돈은 방사성 비활성기체로써 무색, 무미, 무취의 성질을 가지고 있으며 공기보다 무겁다. 자연에서는 우라늄과 토륨의 자연 붕괴에 의해서 발생된다. 가장 안정적인 동위 원소는 Rn-222으로 반감기는 3.8일이고, 이를 이용하여 방사선 치료 등에 사용된다. 라돈의 방사능으로 인해 폐로 흡입하게되면 폐의 건강을 위협할 수 있다. 이러한 이유로 많은 과학자들이 라돈에 대한 화학적 연구를 꺼리고 있고, 그로인해 아직까지 알려진 화학적 합성물질은 매우 극소수에 불과하다.
121
운비우늄(Ubu)의 원자번호
사마륨
사마륨-151은 우라늄의 핵분열 결과물로서 약 0.4% 확률로 생성되기도 하며, 원자로의 제어봉에 포함되어 있는 사마륨-149의 중성자 포획에 의해 합성되기도 하므로 수명이 다 된 핵연료나 방사성 폐기물 등에 다량 포함되어 있다.
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-235
우라늄은 지각에는 평균 2.7ppm이 함유되어 있으며 우라늄-235는 19.5ppb로 매우 극소량이다. 이정도 극소량이 때문에 우라늄-235는 금의 5배, 은의 4분의 1에 불과한 희귀동위체이다.
우라늄은 섬우라늄광, 역청우라늄광, 인화우라늄광, 카르노타이트 등에 경제성 있는 함유량이 있으며 세계적 품위를 자랑하는 우라늄 광석의 우라늄 함유량이 20만ppm까지 함유되어 있는 것도 존재한다.
이러한 우라늄광에는 우라늄-235도 1000~2000ppm이상 함유되어 있어 앞으로도 우라늄-235를 많이 채취할 수 있다.
우라늄 동위 원소
이러한 성질로 제 4세대 원전들 중 하나인 토륨 원전은 우라늄-233을 이용할 목표를 삼고 있다.
핵무기
핵무기(핵폭탄, 원자폭탄)와 원자로는 모두 우라늄의 핵분열에서 나오는 에너지를 이용한다. 천연우라늄에는 여러 가지 동위원소가 있는데, 이 가운데 대표적인 것인 우라늄-235와 우라늄-238이다. 천연우라늄의 약 0.7%를 차지하는 우라늄-235는 스스로 핵분열이 가능한 반면, 천연우라늄의 약 99.3%를 차지하는 우라늄-238은 스스로는 핵분열이 불가능하다. 그리고 핵분열 반응의 재료에 스스로 핵분열이 가능한 우라늄-235가 얼마나 포함되어 있느냐에 따라, 핵분열 반응이 원자력발전에 이용되기도 하고 무기개발에 이용되기도 하는 것이다.
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.
운트리우늄
운트리우늄(Untriunium)은 미발견된 원소의 임시 이름으로 원소 기호는 Utu, 원자 번호는 131번이다.
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.
영변 우라늄 농축 공장
SWU()는 분리작업단위라고 부르며, 우라늄 농축 능력을 나타내는 도량형이다. 우라늄 농축도·폐기농도(tails assay) 0.3%일 경우에, 102 kg (225 lb)의 천연 우라늄을 농축도 4.5%의 저농축 우라늄 10 kg (22 lb)으로 농축하는데 62 SWU가 필요하다. 26,800 SWU면 1년에 농축도 100% 고농축 우라늄 194 kg, 농축도 90% 고농축 우라늄 216 kg을 생산할 수 있다.
우라늄 레이저 농축법
1977년 동아일보 기사에 따르면 핵폭탄 한 개를 제작할 수 있는 농축 우라늄 20kg를 얻는데, 30만초, 즉 3.5일이 걸린다고 하는데, NRDC 보고서에 따르면, 최신 기술을 적용한 경우, 농축 우라늄 5 kg이면 20 kt급 핵폭탄(히로미사급 핵폭탄)을 제작할 수 있다. 75,000초, 즉 21시간이면 20 kt급 핵폭탄(히로미사급 핵폭탄) 1발을 제작할 수 있다.
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.
우라늄
우라늄 중에서 우라늄-235는 원자력 발전소의 전기 생산 원료로 쓴다. 경수로에 쓰이는 우라늄의 농도는 3~5% 정도이다. 이것은 우라늄 농도가 너무 높으면 핵분열이 활발해져 연쇄반응이 일어나서 원자로가 폭발하는 것을 방지하기 위해서이다. 그래서 원자력 발전소에서 쓰는 우라늄은 95.5%가 우라늄-238이고, 나머지 4.5%는 우라늄-235이다. 핵폭탄에 쓰는 우라늄은 99%가 우라늄-235이고 1%가 우라늄-238이다.
우라늄-238
분류:우라늄 동위 원소 분류:핵물질
우라늄-238
우라늄-238은 지각에 2.6ppm의 비율로 들어 있어 풍부한 동위체이다. 이는 주석보다도 더 풍부하다. 지구 초창기에 우라늄-238은 5.3ppm의 비율로 들어 있었다. 우라늄-235도 2ppm에 가까워 현재 우라늄-238에 거의 근접한 수치로 풍부했었다.
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.
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.
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.
우라늄 동위 원소
반감기가 2342만년인 이 동위체는 이미 40억년전에 지구상에서 완전히 사라졌지만, 우라늄-235의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자 활동으로 인해 새로 형성된 우라늄-236은 현재 자연계에서 발견되고 있다. 워낙 극미량이라 우라늄 동위 원소들 중 1조 3000억분의 1의 비율이지만 우라늄-235가 중성자를 하나 얻으면 생성되기 때문에 의미는 있다.
원자로에서도 대량 생산되는데 핵분열을 못해 핵폐기물로 분류된다. 그 다음 동위체인 우라늄-237도 핵분열 효율이 극히 낮으며, 넵투늄-237도 핵분열을 못한다. 또 다음 동위체인 238도 핵분열 효율이 극히 낮으므로 핵분열을 못한다고 볼 수 있기 때문에 우라늄-236은 핵폐기물로 분류되지만 중성자를 2개 흡수하면 원자력 전지의 연료인 플루토늄-238을 형성할 수 있기 때문에 우라늄-236의 일부는 플루토늄-238을 제조하는데 쓰인다.
셀레늄
셀레늄(←) 또는 셀렌(←)은 화학 원소로 기호는 Se(←)이고 원자 번호는 34이다. 독성이 있는 비금속 원소로, 화학적 성질은 황과 텔루륨과 가깝다. 여러 가지 형태로 존재하나, 회색의 금속성 상태가 가장 안정적이다. 자연 상태에서는 순수하게 발견되는 일이 드물다. 주로 구리 광석을 제련하는 과정에서 부산물로 생성되며, 황철석 등의 황화물 광석에서도 산출된다. 반도체의 성질을 지니고 어두울 때보다 밝을 때의 전기 저항이 작아 광저항을 만드는 데 사용되며, 유리 제조, 염색, 광전지 등에도 사용된다.
생물체 내에서 양이 많으면 독성을 나타내기도 하지만 미량이면 모든 동물 세포와 많은 수의 식물 세포에 필수적인 역할을 한다.
란타넘
란타넘(←) 또는 란탄(←), 란타늄(←)은 화학 원소로 기호는 La(←), 원자 번호는 57이다. 란타넘은 은백색의 금속으로 대개 란타넘족으로 분류한다. 세륨이나 희토류 원소와 함께 산출된다. 란타넘은 가단성과 연성이 있고, 칼로 자를 수 있을 만큼 무르다. 희토류 원소 중에 가장 반응성이 크다. 단, 대부분의 란타넘족 원소들이 자성이 있는 데 반해 란타넘은 자성이 없다.
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.
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.
라듐
라듐(←, ←)은 화학 원소로 원소기호는 Ra(←), 원자번호는 88이다. 알칼리 토금속에 속하는 원소 중에서 가장 무거운 원소이고 안정동위체는 존재하지 않는다.(천연상태에서는 4종류의 동위체가 존재한다.) 은과 같은 흰색 계통 금속으로 방사성이 매우 강하다. 26개 이상의 동위원소가 있는데, 모두 방사성을 띤다. 라듐은 주로 우라늄과 토륨 광석에 미량 들어 있다. 프랑스의 물리학자인 퀴리 부부와 공동 연구자인 베몽이 1898년에 우라늄 광석인 피치블렌드에서 라듐을 발견했다. 질량수는 226.025u, 녹는점 973K(700℃, 1292℉), 끓는점 2000K(1737℃, 3159℉), 밀도는 실온에서 약 5.5g/cm이다. 덧붙여 라듐 224, 226, 228은 WHO의 하부기관 IARC에서 발암성이 있다고(Type1) 권고되고 있다.
우라늄 레이저 농축법
레이저 농축법은 천연 우라늄 중에서 우라늄 235만을 이온화 시키는 레이저를 쏘아 이온화 된 우라늄 235를 전자기장을 걸어 가루로 모아오는 방식이다. 천연 우라늄에는 99.3%의 우라늄-238, 0.7%의 우라늄-235이 있으며 핵폭탄이나 원자로에 사용되는 우라늄은 우라늄 235이다.
지르코늄
지르코늄(←,←)은 화학 원소로 기호는 Zr(←), 원자 번호는 40이다. 광택이 있는 회백색의 단단한 전이 금속으로 타이타늄과 비슷하다. 지르코늄은 주로 지르콘으로 산출되며 부식에 대한 저항이 강하다. 부식에 강하고 중성자 단면적이 작은 특징 때문에 원자로를 만드는 데 주로 쓰인다.산화 지르코늄(ZrO)은 모조 다이아몬드, 모조 치아, 광커넥터 페룰로 사용된다. 자연에는 총 5가지의 동위 원소가 존재하는데 이 중 3가지는 안정하며, 지르코늄 화합물은 생물학적 역할이 없는 것으로 알려져 있다.
핵연료 주기
핵연료로 사용되기 위해 농축된 6불화 우라늄은 펠릿 형태로 만들기 위해 우라늄 산화물 가루로 전환된다. 이 가루를 소결로에서 소결시켜 단단한 세라믹 형태의 우라늄 산화물로 만든다. 여기서 만들어진 원통형 펠릿을 균일한 크기로 자른 후, 원자로 노심 디자인대로 쌓은 후 부식되지 않는 합금관에 집어넣는다. 이 관은 펠릿을 넣고 봉해지며, 이 관을 연료봉이라고 부른다. 연료봉은 특별한 연료집합체에 묶은후 원자로에 장전하게 된다.
바륨
바륨(←, ←)은 화학 원소로 기호는 Ba(←), 원자 번호는 56이다. 무른 은색의 금속 원소로, 알칼리 토금속에 속하며 녹는점이 매우 높다. 바륨은 산화물 또는 황산염 상태로 중정석 광물에서 산출된다. 그러나 공기와의 높은 반응성 때문에 순수한 금속으로는 산출되지 않는다. 바륨 화합물은 페인트나 유리 제조에 소량이 사용되며, 이들 중 물 또는 산에 녹지 않는 바륨 화합물인 황산 바륨은 X선의 조영제로 사용되기도 한다. 바륨 이온은 독성이 있으므로 수용성 바륨염 및 위산과 반응할 수 있는 탄산 바륨 등을 조영제로 사용하는 일은 절대로 없어야 한다.
맨해튼 계획
자연 상태의 우라늄은 99.3%의 우라늄-238과 0.7%의 우라늄-235로 존재한다. 이 두 동위원소는 원자량이 매우 비슷하기 때문에 일반적인 방법으로는 분리할 수 없다. 때문에 이 둘을 분리하기 위한 다양한 방법이 고안되었다. 대부분의 분리 작업은 오크리지에서 진행되었다.
초우라늄 원소
초우라늄 원소는 우라늄의 92보다 더 큰 원자 번호를 가진 화학 원소를 말한다.
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.
핵연료
가압수형 원자로의 연료는 실린더형 연료봉이 묶여진 형태이다. 산화 우라늄은 세라믹 형태로 연료펠릿에 들어있으며, 이 연료펠릿은 지르코늄 합금으로 만든 피복재에 들어가게 된후, 묶여지게 된다. 지르코늄 합금 튜브는 지름 1cm에 연료 피복 뚜껑은 헬륨으로 채워져 있어, 연료에서 발생되는 열이 피복재로 가는 전도율을 높여주는 역할과 더불어 펠릿과 피복재의 상호작용을 최소화 시켜준다. 보통 하나의 연료 집합체엔 179~264개의 연료봉이 들어가며, 원자로 노심 하나에는 121개에서 193개의 연료 집합체가 들어가게 된다. 일반적으로 연료 집합체의 경우 14x14혹은 17x17의 형태로 제작되며, 연료 집합체의 길이는 약 4미터 정도이다. 가압수형 원자로의 연료 집합체의 경우엔 제어봉이 위에서 연료집합체로 바로 내려오게 된다. 산화 우라늄은 피복되기 전에 건조되는데, 이는 세라믹 연료에 있는 습기가 부식을 일으키거나, 피복재를 연하게 만들수 있기 때문이다.
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.
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.
우라늄
원자로연료로서 보통 천연 우라늄으로부터 우라늄-235를 분리하거나, 우라늄-238을 플루토늄-239로 변화시켜 사용하고 있으나, 천연 우라늄을 그대로 사용할 때도 있다. 특수한 목적에는 농축시킨 것을 사용하는 경우도 있다(농축 우라늄 사용). 이것은 기체확산분리 과정의 도중에서 뽑아냄으로써 적당한 농축도의 것을 얻을 수 있다. 원자로연료로 여러 가지 형태로 사용되고 있지만 균질로에서는 금속우라늄(때로는 합금 금속우라늄)을 적당히 성형한 것이, 불균질로에서는 황산염, 질산염의 용액이 사용된다. 그 밖에 여러 가지 내식성합금에도 소량 사용되고, 또 이우라늄산나트륨(우라늄황이라고도 한다)으로 유리, 도자기 등의 착색제로도 사용되고 있다.
운비닐륨
운비닐늄() 또는 에카-라듐은 미발견된 120번 원소의 이름이다. 원자 번호는 120, 원소 기호는 Ubn이다.
알칼리 토금속이다.
2003년에 러시아 합동핵연구소(JINR) 산하 플레로프 핵반응연구소(FLNR)에서 합성을 시도하였다.
악티늄족
악티늄족이 일상생활에 적용되는 예로는, 연기 감지기 (아메리슘), 그리고 가스 맨틀 (토륨)이 있다. 또 악티늄족은 주로 핵 무기나 핵 반응기에서 연료로 쓰인다. 앞에서 말한 연기 감지기와 가스 맨틀은 악티늄족이 스스로 핵연쇄 반응을 한다는 전제 하에 악티늄족이 핵반응을 하면서 막대한 에너지를 방출하는 것을 활용한 대표적인 예이다.
원자력 발전에 가장 필요하면서 가장 중요한 것은 바로 우라늄-235이다. 이것은 열중성자로에도 쓰이며, 우라늄-235는 자연적으로는 0.72%밖에 존재하지 않는다. 이 동위원소는 많은 에너지를 배출하면서 강한 힘으로 열중성자를 흡수한다. 1g의 우라늄-235가 한 번 핵분열을 했을 시의 에너지는 1일에 1MW(메가와트)로 변환된다. 중요한 것은, U은 U가 흡수한 중성자보다 더 많은 양의 중성자를 발사한다는 것이다. 임계 질량에 도달하면, U는 스스로 핵연쇄 반응을 하게 된다. 일반적으로, 2-3개의 중성자와 함께 우라늄의 핵은 두 조각으로 나뉜다. 예시적으로:
원자력 발전소
현재 사용되는 연료로는 우라늄 235를 농축시킨 농축 우라늄[1]과 천연 우라늄등을 사용한다. 현재는 플루토늄을 우라늄과 같이 혼합한 혼합 산화물 연료(MOX 연료)가 시험 중에 있다.
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.
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.
핵연료
소결체 한 개에는 우라늄이 약 5.2g 정도 포함되며, 전력 생산량으로 계산하면 약 1,800kWh로, 4인 가구가 8개월 정도 쓸 수 있는 분량이다. 따라서 핵연료집합체 1기의 질량은 약 655kg 정도가 되고, 그 가운데 우라늄은 약 431kg쯤 된다. 핵연료집합체 1다발의 전력생산량은 약 1억 7천만kWh로 약 6만 가구가 1년 정도 쓸 수 있는 전기 에너지에 해당한다.
우라늄-238
우라늄-238은 자발 핵분열 비율과 알파 붕괴의 비율이 180만대 1의 비율을 나타내고 있지만 반감기가 매우 길다. 이러한 특성으로 우라늄-238은 임계질량이 존재하지 않는다. 역시 우라늄-236도 마찬가지이다.