우라늄 동위 원소

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
이동: 둘러보기, 검색

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.

우라늄-232[편집]

U-232는 토륨 핵반응으로 생성된 U-233들 중 200ppm가량이 중성자를 흡수함과 동시에 2개 방출하여 생성된다. 붕괴 과정에서 강한 감마선을 내뿜는 동위 원소들이 있어 극히 위험하여 핵폐기물로 분류된다.

우라늄-233[편집]

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. 제 4세대 원전인 토륨 원전의 핵심으로 토륨이 중성자를 한개 흡수하여 생성된다.

우라늄-234[편집]

자연계에 미량 존재하며 우라늄-238의 붕괴로 생성된다. 토륨 원전의 핵심이며 Pa-233이 중성자를 하나 먹어 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. 또는 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]

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. 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.

우라늄-236[편집]

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 먹으면 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.

우라늄-237[편집]

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]

천연 동위 원소로 자연계에 가장 많이 존재하는데 반감기가 44억 6800만년이나 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-239[편집]

우라늄-238이 중성자를 하나 흡수하여 생성된다. 반감기가 23분으로 매우 짧아 즉시 넵투늄-239로 붕괴된다고 할 수 있다.

우라늄-240[편집]

반감기가 14시간 30분으로 플루토늄-244가 붕괴되어 생성된다.

[편집]

핵종
기호
과거 명칭 Z(p) N(n)  
동위 원소 질량 (u)
 
반감기 붕괴
방식[1][n 1]
붕괴
생성물[n 2]

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 (9.6×10−8%) 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 4][n 6][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%) 238Pu
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+
  1. 약자:
    CD: 뭉치 붕괴
    ε: 전자 포획
    IT: 이성질핵 전이
    SF: 자발 핵분열
  2. 굵은 글꼴은 안정 동위 원소, 굵은 기울임꼴은 감기가 우주의 나이보다 긴 동위 원소(거의 안정적)
  3. 우라늄-토륨 연대 측정에 사용된다.
  4. 우라늄-우라늄 연대 측정에 사용된다.
  5. 238U의 중간 붕괴 생성물
  6. 원시 방사성 핵종
  7. 우라늄-납 연대 측정에 사용된다.
  8. 주요 핵연료
  1. http://www.nucleonica.net/unc.aspx