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.
인공적으로 만들어진 우라늄의 동위 원소는 217부터 242까지 존재한다.
U-232는 토륨 핵반응으로 생성된 U-233들 중 수ppm~수십ppm가량이 중성자를 흡수함과 동시에 2개 방출하여 생성된다. 연료를 다 태우고 난 이후의 사용후핵연료내의 우라늄-232의 함유량은 대략 1ppm가량 함유되어 있는데, 반감기가 68.9년으로 매우 짧고, 강한 감마선을 내뿜는 붕괴사슬동위체들이 몇몇 있어 재처리 이후 상당기간 보관 후 재활용할 수 있다.
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.
이러한 성질로 제 4세대 원전들 중 하나인 토륨 원전은 우라늄-233을 이용할 목표를 삼고 있다.
반감기가 15만 9200년이나 되기 때문에 재처리를 하지 않으면 폐기물이 되며 140만년 이상 보관해야 한다.
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.
하지만 이는 대형의 중성자 공급장치를 필요로 한다는 점에서 경제성이 없다. 토륨 원전에서는 이러한 성질 때문에 토륨에 [[플루토늄-239], 우라늄-235 등을 섞어 사용하는 방법도 있지만 핵분열성 동위원소를 고농축해야 하므로 실효성이 떨어진다.
U-234는 원자로에서는 U-233가 중성자를 한개 먹어 생성되기도 한다. U-234는 핵분열을 못하므로 추가로 중성자를 흡수하여 U-235가 되고 또 하나의 중성자가 U-235과 충돌해야 핵분열이 될 수 있다.
우라늄-235
편집
이 부분의 본문은 우라늄-235입니다.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 0.7%밖에 존재하지 않지만 44억년전 지구 초창기 시절에는 천연 동위체에 20%나 존재했었다.
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.
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 미미하므로 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.
우라늄-236이 중성자를 흡수하여 생성되지만 열중성자 핵분열 효율이 불과 0.4%, 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 4.1%에 불과하다. 또한 반감기도 6.75일로 매우 짧아 중성자를 먹기도 전에 93.7%의 대부분이 넵투늄-237로 붕괴된다. 열중성자로에서는 우라늄-237중 0.4%만 핵분열을 하고 99.6%는 우라늄-238로 변환된다.
우라늄-238
편집 이 부분의 본문은 우라늄-238입니다.천연 동위 원소로 자연계에 가장 많이 존재하는데 반감기가 45억년이나 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.
우라늄-238이 중성자를 하나 흡수하여 생성된다. 반감기가 23분으로 매우 짧아 즉시 넵투늄-239로 붕괴된다고 할 수 있다.
반감기가 14시간 30분으로 플루토늄-244가 붕괴되어 생성된다.
표
편집| 핵종 기호 |
과거 명칭 | Z(p) | N(n) | 동위 원소 질량 (u) |
반감기 | 붕괴 방식[1][n 1] |
붕괴 생성물[n 2] |
핵 스핀 |
전형적 동위 원소 구성비 (몰 분율) |
자연적 구성비 변동 범위 (몰 분율) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 들뜬 에너지 | ||||||||||
| 217U | 92 | 125 | 217.02437(9) | 26(14) ms [16(+21-6) ms] |
1/2-# | |||||
| 218U | 92 | 126 | 218.02354(3) | 6(5) ms | α | 214Th | 0+ | |||
| 219U | 92 | 127 | 219.02492(6) | 55(25) ms [42(+34-13) ms] |
α | 215Th | 9/2+# | |||
| 220U | 92 | 128 | 220.02472(22)# | 60# ns | α | 216Th | 0+ | |||
| β+ (드묾) | 220Pa | |||||||||
| 221U | 92 | 129 | 221.02640(11)# | 700# ns | α | 217Th | 9/2+# | |||
| β+ (드묾) | 221Pa | |||||||||
| 222U | 92 | 130 | 222.02609(11)# | 1.4(7) us [1.0(+10-4) us] |
α | 218Th | 0+ | |||
| β+ (10−6%) | 222Pa | |||||||||
| 223U | 92 | 131 | 223.02774(8) | 21(8) us [18(+10-5) us] |
α | 219Th | 7/2+# | |||
| 224U | 92 | 132 | 224.027605(27) | 940(270) us | α | 220Th | 0+ | |||
| 225U | 92 | 133 | 225.02939# | 61(4) ms | α | 221Th | (5/2+)# | |||
| 226U | 92 | 134 | 226.029339(14) | 269(6) ms | α | 222Th | 0+ | |||
| 227U | 92 | 135 | 227.031156(18) | 1.1(1) min | α | 223Th | (3/2+) | |||
| β+ (0.001%) | 227Pa | |||||||||
| 228U | 92 | 136 | 228.031374(16) | 9.1(2) min | α (95%) | 224Th | 0+ | |||
| ε (5%) | 228Pa | |||||||||
| 229U | 92 | 137 | 229.033506(6) | 58(3) min | β+ (80%) | 229Pa | (3/2+) | |||
| α (20%) | 225Th | |||||||||
| 230U | 92 | 138 | 230.033940(5) | 20.8 d | α | 226Th | 0+ | |||
| SF (1.4×10−10%) | 다양 | |||||||||
| β+β+ (드묾) | 230Th | |||||||||
| 231U | 92 | 139 | 231.036294(3) | 4.2(1) d | ε | 231Pa | (5/2)(+#) | |||
| α (0.004%) | 227Th | |||||||||
| 232U | 92 | 140 | 232.0371562(24) | 68.9(4) y | α | 228Th | 0+ | |||
| CD (8.9×10−10%) | 208Pb 24Ne | |||||||||
| CD (5×10−12%) | 204Hg 28Mg | |||||||||
| SF (10−12%) | 다양 | |||||||||
| 233U | 92 | 141 | 233.0396352(29) | 1.592(2)×105 y | α | 229Th | 5/2+ | |||
| SF (6×10−9%) | 다양 | |||||||||
| CD (7.2×10−11%) | 209Pb 24Ne | |||||||||
| CD (1.3×10−13%) | 205Hg 28Mg | |||||||||
| 234U[n 3][n 4] | Uranium II | 92 | 142 | 234.0409521(20) | 2.455(6)×105 y | α | 230Th | 0+ | [0.000054(5)][n 5] | 0.000050- 0.000059 |
| SF (1.73×10−9%) | 다양 | |||||||||
| CD (1.4×10−11%) | 206Hg 28Mg | |||||||||
| CD (9×10−12%) | 184Hf 26Ne 24Ne | |||||||||
| 234mU | 1421.32(10) keV | 33.5(20) ms | 6- | |||||||
| 235U[n 6][n 7][n 8] | Actin Uranium Actino-Uranium |
92 | 143 | 235.0439299(20) | 7.04(1)×108 y | α | 231Th | 7/2- | [0.007204(6)] | 0.007198- 0.007207 |
| SF (7×10−9%) | 다양 | |||||||||
| CD (8×10−10%) | 186Hf 25Ne 24Ne | |||||||||
| 235mU | 0.0765(4) keV | ~26 min | IT | 235U | 1/2+ | |||||
| 236U | 92 | 144 | 236.045568(2) | 2.342(3)×107 y | α | 232Th | 0+ | |||
| SF 핵분열 (9.99%;10−8%) | 다양 | |||||||||
| 236m1U | 1052.89(19) keV | 100(4) ns | (4)- | |||||||
| 236m2U | 2750(10) keV | 120(2) ns | (0+) | |||||||
| 237U | 92 | 145 | 237.0487302(20) | 6.75(1) d | β- | 237Np | 1/2+ | |||
| 238U[n 7] | Uranium I | 92 | 146 | 238.0507882(20) | 4.468(3)×109 y | α | 234Th | 0+ | [0.992742(10)] | 0.992739- 0.992752 |
| SF (5.45×10−5%) | 다양 | |||||||||
| β-β- (2.19×10−10%) | 238 | |||||||||
| 238mU | 2557.9(5) keV | 280(6) ns | 0+ | |||||||
| 239U | 92 | 147 | 239.0542933(21) | 23.45(2) min | β- | 239Np | 5/2+ | |||
| 239m1U | 20(20)# keV | >250 ns | (5/2+) | |||||||
| 239m2U | 133.7990(10) keV | 780(40) ns | 1/2+ | |||||||
| 240U | 92 | 148 | 240.056592(6) | 14.1(1) h | β- | 240Np | 0+ | |||
| α (10−10%) | 236Th | |||||||||
| 241U | 92 | 149 | 241.06033(32)# | 5# min | β- | 241Np | 7/2+# | |||
| 242U | 92 | 150 | 242.06293(22)# | 16.8(5) min | β- | 242Np | 0+ | |||