핵분열 연쇄 반응에 이용되는 우라늄-235 (간단 정리)

우라늄

 

 

 

원자력 발전의 연료로는 주로 우라늄이 사용되는 천연 우라늄을 구성하는 물질의 99% 이상은 핵분열이 일어나지 않는 우라늄-238이고 핵분열이 가능한 우라늄-235는 천연 우라늄 속에 0.7% 정도만 포함되어 있다.

이 상태로는 우라늄-235의 비율이 낮아 핵분열을 유도할 수 없기 때문에 우라늄-235의 비율을 3% 이상으로 높여야 한다.

이 과정을 우라늄 농축이라고 한다.

우라늄-235의 비율을 3~5%로 높여 원기둥 모양의 연료봉으로 만든 후 이를 다발로 묶어서 핵연료를 만든다.

이렇게 만들어진 핵연료를 원자로에 넣고 중성자를 충돌시켜 핵분열을 유도하는 것이다.

 

사용 후 핵연료 : 원자로에 넣은 핵연료의 우라늄-235의 비율이 낮아져서 반응력이 떨어지면 원자로에서 꺼낸 것 

 

사용 후 핵연료에는 핵분열이 일어나지 않은 우라늄-235가 남아 있고, 우라늄-238, 우라늄-238이 중성자와 반응하여 만들어진 물질인 플루토늄-239, 그리고 이 외에도 핵분열 과정에서 생성된 핵물질들이 포함되어 있다.

이 중 우라늄-235와 플루토늄-239는 핵분열을 일으킬 수 있는 물질이므로 사용 후 핵연료에서 추출한 후 원자력 발전의 연료로 재사용할 수 있는데, 이 분리 공정을 핵 재처리라고 한다.

 

① 현재 사용하고 있는 대표적인 핵 재처리 방식으로 사용 후 핵연료를 액체 상태로 만든 뒤에 우라늄-235와 플루토늄-239를 추출하는 퓨렉스 공법이 있다.

퓨렉스 공법은 먼저 사용 후 핵연료를 해체한 후 연료봉을 작게 절단하다.

다음으로 절단한 연료봉을 90℃ 정도의 질산 용액에 담가 녹인다.

이후 질산에 녹인 핵연료를 유기 용매인 TBP 용액과 접촉시키면 우라늄-235와 플루토늄-239는 TBP 용액에 달라붙고 나머지 핵물질들은 질산 용액에 남는다.

이후 산화 및 환원 반응을 통해 우라늄-235와 플루토늄-239를 상호 분리하게 된다.

퓨렉스 공법은 공정을 반복할 때마다 더 많은 양과 높은 순도의 우라늄-235와 플루토늄-239를 얻을 수 있다.

우라늄-235는 기존의 원자로에 넣어서 원자력 발전이 가능하지만 플루토늄-239는 고속 증식로에서만 사용이 가능한데, 고속 증식로는 안정성이 부족하여 폭발의 위험성이 크기 때문에 아직 실용화 되지 못하고 있다.

(플루토늄-239는 핵무기의 원료로 사용되기 때문에 국제적으로도 민감한 문제가 된다.)

 

② 이러한 문제를 해결하기 위해 개발 중인 핵 재처리 방식으로 파이로프로세싱이 있다.

파이로프로세싱은 핵분열 물질을 추출하기 위해 용액이 아닌 전기를 활용한다.

 

먼저 사용 후 핵연료를 해체하고 연료봉을 절단한 후, 절단한 연료봉을 600℃ 이상의 고온에서 산화 우라늄 형태의 분말로 만든다.

이를 전기 분해하여 산소를 없애면 금속 물질로 변환되는데, 여기에는 우라늄-235와 플루토늄-239, 기타 다양한 핵물질이 포함되어 있다.

이 금속 물질을 용융염에 넣고 온도를 500℃까지 올려 용해시킨다.

여기에 전극을 연결하고 일정 전압 이하의 전기를 흘려 주는데, 우라늄-235는 다른 물질에 비해 낮은 전압에서도 쉽게 음극으로 움직이므로 음극에는 우라늄-235만 달라붙는다.

여기에서 우라늄-235를 일부 회수할 수 있다.

이후 전압을 올리면 남아 있던 우라늄-235와 플루토늄-239, 다른 핵물질들이 음극으로 와서 달라붙게 된다.

파이로프로세싱은 플루토늄-239가 다른 핵물질들과 섞인 채로 추출되기 때문에 퓨렉스 공법에서 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.

 

 

 

 

[간단 정리]

핵분열 발전에 이용되는 우라늄은 우라늄-235이다.

천연 우라늄은 99%가 핵분열이 일어나지 않는 우라늄-238이기 때문에 0.7%의 우라늄-235 비율을 높이기 위해 농축 과정을 거쳐 만들어진 우라늄으로 핵분열 발전을 일으킨다.