Chemistry/생활 속 화학

핵화학 | 원자력 발전소와 핵폭발

곰뚱 2021. 3. 24.

히로시마나 나가사키에 투여된 원자 폭탄의 참상과 파괴는 사람의 기억 속에서 매우 고통스럽게 남아 있는 역사의 흔적이다. 명백하게도 원자력 발전소와 핵무기의 목적은 다르다. 원자력 발전소는 반응 속도가 느리며 통제된 에너지 방출을 요구한다. 핵무기에서는 에너지 방출이 빠르고 이를 통제하지 못한다. 원자력 발전소와 핵무기의 경우 이들의 연료는 모두 U-235이다. 원자력 발전소는 전형적으로 3～5%의 분열할 수 있는 U-235와 95～97%인 U-238이 포함되어 있는 우라늄으로 작동된다.

U-235 핵이 분열하면서 방출하는 대부분의 중성자는 U-238과 카드뮴(Cd)및 붕소(B)같은 원소들에 의해 흡수된다. 그 결과 중성자의 흐름은 폭탄에서처럼 자발적으로 일어나는 폭발적인 연쇄반응을 일으킬 만큼 충분하지 못하다. 자연계에 99.3% 존재하는 U-238과 0.7% 존재하는 U-235의 동위원소 분리는 상당히 어려운 과정을 거쳐야 한다. 따라서 핵분열을 일으키는 U-235의 정제 물질을 지구상에서 구하는 것은 보통 어려운 일이 아니다.

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U-235를 정제하는 방법은 세계 2차 대전 중에 개발된 원심 분리법이다. 이 방법은 Graham의 기체확산의 법칙을 이용한 것으로 다음과 같이 이루어진다. 먼저 우라늄 시료를 불소와 반응시켜 56℃에서 끓는 점을 갖는 노란색의 UF6를 만든다. 이 UF₆ 분자의 99.3%는 U-238을 포함하며 분자량은 352이다(238 + 6 x 19 = 352). 이 분자의 0.7%는 U-235를 포함하며 분자량은 349이다(235 + 6 x 19 = 349).

이 분리 과정은 56℃ 이상의 온도에서 실행되기 때문에 UF₆는 기체 상태이고 U-235를 포함하는 분자는 U-238을 포함하는 분자보다 약 0.4% 더 빠르게 움직인다. 이 기체(UF₆)는 긴 일련의 장치를 통해 확산이 반복하여 일어나면 두 동위원소 사이에 상당한 분리가 이루어질 수 있다. 현재는 UF₆ 분자에 대하여 원심분리 하는 방법 이외의 다른 방법도 개발되었다. 만일 어떤 국가의 핵무기 개발에 대한 조사를 한다고 하면 검사관은 먼저 U-235를 농축시키는데 필요한 장치를 찾을 것이다.