우라늄

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92 프로탁티늄 ← 우라늄 → 넵투늄
Nd
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U
↓
(Uqb)
U-TableImage.png
일반적 성질
이름, 기호, 번호 우라늄, U, 92
화학 계열 악티늄족
족, 주기, 구역 n/a, 7, f
모양 은회색 금속
U,92.jpg
원자 질량 238.029 (amu) g/mol
전자 배열 [Rn] 5f2 6d1 7s2
껍질 별 전자 수 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
물리적 성질
상태 고체
밀도 (대략 실온) 19.1 g/cm3
액체 밀도 (녹는점) 17.3 g/cm3
녹는점 1405.3 K
(1132.2 °C, 2070 °F)
끓는점 4404 K
(4131 °C, 7468 °F)
융해열 9.14 kJ/mol
기화열 417.1 kJ/mol
열용량 (25 °C) 27.665 J/(mol·K)
증기압
압력(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
온도(K) 2325 2564 2859 3234 3727 4402
원자의 성질
결정 구조 사방정계
산화 상태 3+, 4+, 5+, 6+
(약염기성 산화물)
전기 음성도 1.38 (폴링 척도)
이온화 에너지 1차: 597.6 kJ/mol-1
2차: 1420 kJ/mol-1
원자 반지름 175 pm
반데발스 반지름 186 pm
그밖의 성질
자기적 질서 상자성
전기저항률 (0 °C) 0.280 μΩ·m
열전도율 (300 K) 27.5 W/(m·K)
열팽창계수 (25 °C) 13.9 µm/(m·K)
음속 (막대) (20 °C) 3155 m/s
영률 208 GPa
층밀리기 탄성 계수 111 GPa
부피 탄성 계수 100 GPa
푸아송 비 0.23
모스 굳기 6.0
비커스 굳기 1960 MPa
브리넬 굳기 2400 MPa
CAS 등록번호 7440-61-1
주요 동위 원소
본문: 우라늄 동위 원소
iso 존재비 반감기 DM DE (MeV) DP
232U 인공 68.9 y α & SF 5.414 228Th
233U 인공 159,200 y SF & α 4.909 229Th
234U 0.0054% 245,500 y SF & α 4.859 230Th
235U 0.7204% 7.038×108 y SF & α 4.679 231Th
236U 인공 2.342×107 y SF & α 4.572 232Th
238U 99.2742% 4.468×109 y SF & α 4.270 234Th
239U 인공 23.45 m SF & α 4.000 235Th
참고 자료
육플루오르화우라늄의 분자 구조.
우라늄 광석(피치블렌드)의 모습

우라늄(uranium(/jʊˈreɪniəm/), 독일어: Uran(복수 표준어: 우란), 문화어: 우라니움)은 원소 기호가 U인 은회색의 방사성 금속원소이다. 모든 대형 상업용 원자력 발전소에서는 전기 에너지를 얻는 에너지원으로 우라늄을 쓰고 있다. 소프트볼 공만한 크기의 우라늄에서는 그 무게의 300만 배에 해당하는 석탄에서 나오는 것보다 더 많은 에너지를 얻을 수 있다. 또한, 우라늄은 일부 핵무기에 쓰여 엄청난 폭발력을 나타낸다.

목차

[편집] 우라늄의 성질

우라늄은 자연에서 발견되는 원소 중에서 가장 무거운 원소이다. 실제로 가장 무거운 것은 플루토늄이나 플루토늄은 인공적으로 만드는 경우가 많으므로 우라늄이 가장 무겁다. 우라늄의 원자량은 238.029u이며, 원자번호는 92이며 악티늄족에 속한다. 밀도는 20도에서 19.05g/cm-3이며, 녹는점과 끓는점은 각각 1405K, 4404K이다.

상온에서 얻는 금속은 알파우라늄이라 하며, 935.15K 에서 베타우라늄으로 변하며, 1045.15K에서 감마우라늄이 된다. 알파우라늄은 사방정계이며, 결정의 세 축방향에 따라 팽창률이 다르다. 이로 인해서 원자로 연료로써 금속우라늄을 사용하면 연료막대가 변형하는 일이 생긴다.

공기 중에서 가열하면 발화해서 산화우라늄(U3O8)이 된다. 할로젠, 황, 질소와도 직접 반응한다. 묽은 산에는 녹아 수소를 발생하며 4가(4+)의 우라늄염이 된다. 질산에도 녹아 질산우라늄으로 변한다. 알칼리 금속과는 반응하지 않으며 이온화경향은 망간와 아연의 중간이다. 화합물의 주원자가는 2+, 3+, 4+, 5+, 6+인데 6+가 가장 안정하고 4+가 그 다음이다. 우라늄 이온은 U2+, U3+ 등이 있다.

바닥상태에서의 우라늄의 전자배치는 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s25f3 6d1이다.

우라늄을 농축시키는 데 육플루오르화우라늄을 많이 사용하는데, 화학적 반응은 다음과 같다.

UO2 + 4HF + 열 (500 °C) → UF4 + 2H2O

UF4 + F2 + 열 (350 °C) → UF6

[편집] 동위 원소

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.

그리고 가장 적은 비율을 차지하는 우라늄-234 원자는 0.0054%를 차지한다. 우라늄의 반감기는 매우 길고 안정적이다. 반감기는 우라늄-238의 경우 44억 7000만 년, 우라늄-235의 경우 704만 년, 우라늄-234의 경우 24만 5000년이 걸린다. 그 밖에 인공적으로 만든 동위원소를 포함하면 질량수 217로부터 240까지 26종이 존재한다.

[편집] 성질

천연우라늄은 234U(존재 백분율 0.0054 %, 반감기 24만 8000년), 235U(존재백분율 0.7024 %, 반감기 7억 1300만 년), 238U(존재백분율 99.2742 %, 반감기 45억 1000만년) 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 200메가전자볼트의 에너지를 방출하며 평균 2.5개의 중성자도 방출한다. 따라서 방출된 중성자가 다른 235U 원자를 분열시키도록 조건을 주면 연쇄반응을 일으켜 거대한 에너지를 방출한다.

[편집] 원자폭탄

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 원자폭탄제조계획에 의해서 모든 방법들이 검토되었다.

결국 플루오르화물인 육플루오르화우라늄 UF6를 이용하여 그 기체에서 확산속도의 차에 의한 물리적 방법이 채용되었다. 즉, 기체로 변화시킨 경우의 2356UF와 2386UF에서는 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.

[편집] 쓰이는 곳

우라늄 중에서 우라늄-235는 원자력 발전소의 전기 생산 원료로 쓴다. 원자력 발전소에 쓰이는 우라늄의 농도는 2~3% 정도이다. 이것은 우라늄 농도가 너무 높으면 핵분열이 활발해져 연쇄반응이 일언나서 원자로가 폭발하는 것을 방지하기 위해서이다. 그래서 원자력 발전소에서 쓰는 우라늄은 98%가 우라늄-238이고, 나머지 2%는 우라늄-235이다. 핵폭탄에 쓰는 우라늄은 99%가 우라늄-235이고 1%가 우라늄-238이다.

[편집] 원자로와 우라늄 합금

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 뽑아냄으로서 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.

[편집] 같이 보기

[편집] 참고 문헌

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v • d • e
핵 기술
핵물리학 핵분열 · 핵융합 · 방사선 (이온화 방사선) · 원자
핵연료 토륨 · 우라늄 (농축 우라늄 • 감손 우라늄) · 플루토늄 · 중수소 · 삼중수소 · 동위원소 분리
원자력 원자력 기술 · 원자력 추진 (원자력 로켓) · 방사성동위원소 열전기 (RTG)
핵분열로
경수&중수 감속 가압수형 원자로 · 비등수형 원자로 · 중수로 (CANDU) · 가압중수로  · 초임계압 경수 냉각 고속로
흑연감속 페블베드 원자로 · 고온가스로 · RBMK · 마그녹스 · 개량 가스냉각로
Li / Be 용융염 원자로
고속 중성자로 고속 증식로 · 액화금속 냉각 원자로 · 개량 액화금속 냉각 원자로 ·
4세대 (가스냉각 고속원자로 · 납 냉각 고속원자로 · 나트륨 냉각 고속원자로)
핵의학
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핵무기
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