우크라이나 밀매시장에서 '우라늄-238' 불법 판매가 더러운 폭탄 제조로 이어질 수 있다

 

우크라이나 보안 서비스가 우크라이나 서부 지역 범죄 조직원들로부터 압수한 방사성 물질은 '우라늄-238'로 추정되며, 이 물질은 사제 폭탄 제조에 사용될 수 있다고 RT와의 인터뷰에서 역사 학자이며 정치 분석가인 마틴 맥콜리가 말했다.

방사성 물질이 범죄자들의 손에 넘어갈 수 있다는 사실은 맥콜리의 말에 따르면 우크라이나가 자국 안전을 보장할 수 없는 상태임을 말해준다. 불안정한 상황에서 '우라늄-238'은 현 정부의 대항 세력에 의해 사용될 수 있다.

분석가는 현대 사회에서 방사성 물질의 확산 통제가 점점 어려워지고 있으며 우라늄은 소량일지라도 폭탄 제조에 사용될 수 있고, 지하 시장에는 폭탄 제조 방법을 아는 전문가들이 넘쳐난다고 강조했다

 

*우라늄-238(²³⁸U)은 자연계에 가장 풍부하게 존재하는 우라늄의 동위 원소이다. 천연 우라늄의 99.284%가 우라늄 238이다. 반감기는 1.41 × 10¹⁷ 초((4.46 × 10⁹년, 44.6억 년)이다.

일반 원자로인 경수로에는 우라늄-238이 95.5%의 비율로 들어가게 된다. 이 중 1.9%가 플루토늄-239로 변하고 0.9% 가 핵분열을 하게 된다. 0.1%인 일부는 중성자를 흡수하여 초우라늄 원소인 넵투늄, 아메리슘, 퀴륨이 생성된다.

우라늄-238은 지각에 2.6ppm의 비율로 들어 있어 풍부한 동위체이다. 이는 주석보다도 더 풍부하다. 지구 초창기에 우라늄-238은 5.3ppm의 비율로 들어 있었다. 우라늄-235도 2ppm에 가까워 현재 우라늄-238에 거의 근접한 수치로 풍부했었다.

우라늄은 매우 풍부하여 전세계에 경제성 있는 매장량만 700만톤이나 된다. 우라늄이 매우 풍부한 지역에는 15,000ppm~200,000ppm의 우라늄의 지하에 묻혀 있는 지역도 존재하고 있다

 

                                                                                       Uranium-238 (238U or U-238)

1.핵연료로써의 이용

우라늄-238은 핵분열을 못하지만 우라늄-235의 희석제 용도로 쓰고 있다. 경수로에는 우라늄-238이 95.5%, 우라늄-235는 4.5%가 함유되어 있다.

핵연료를 쓰게 되면 폐기물인 우라늄-238이 많이 남게 되므로 고속중성자(자원중성자)선속을 이용하여 우라늄-238을 플루토늄-239로 변환하여 쓰려는 시도를 하고 있다. 이는 우라늄-235가 자연계에 적게 매장되어 있고 많은 우라늄-238이 남으므로 핵폐기물도 줄이고 효율적인 원자로 가동을 위해서이다. 이러한 원자로가 바로 고속 증식로이다.

자원중성자 선속은 0.5 eV 이상의 강력한 중성자를 이용하는 경우인데 열 중성자의 평균 선속의 최소 20배나 된다. 이러한 중성자 선속 범위에서는 우라늄-238이 중성자를 아주 잘 흡수하는 범위가 있는데 열 중성자보다 10000배 이상 흡수율이 좋아지기도 한다. 이러한 중성자 흡수 범위를 공명 흡수라고 하는데 우라늄-238은 0.5 eV~10 KeV의 중성자 속도에서 이 범위가 나타난다.

공명 흡수란 우라늄, 토륨처럼 무거운 원자핵에 많은 중성자가 흡수되는 것을 의미한다.

하지만 공명 흡수를 원자로 내부에 100% 유도하기는 어렵다. 중성자가 냉각제와 충돌하면서 속도가 변화되어 고속 중성자의 속도로 연료와 충돌할 수도 있고 열 중성자의 범위로 속도가 느려진 후 충돌할 수도 있기 때문이다. 또한 핵분열 생성물등 생성물로 인한 변화, 온도와 밀도 변화도 한몫을 한다.

하지만 평균으로 따지더라도 자원중성자 선속을 이용하면 열 중성자보다 110배 이상 더 중성자 흡수율이 좋아지게 되어 열 중성자로에서의 핵분열성 우라늄을 태우는 것 만큼 좋아진다. 또한 반대로 피복재의 중성자 흡수율이 극도로 낮아져 중성자 경제성도 더 좋아서 실제로는 수치보다 더 높은 중성자 흡수율이 더해져 많은 우라늄-238이 핵분열성 동위체로 변화될 수 있다. 덕분에 태운 연료보다 더 많은 핵분열성 연료가 생성되는 것이다.

특히 핵분열을 못한 플루토늄-239가 많은 양의 플루토늄-240을 형성하고 이 플루토늄-240의 중성자 흡수율이 매우 좋아 다음 핵분열성 동위체인 플루토늄-241을 형성하기 때문에 많은 핵연료를 태울 수 있고 생성된 중성자로 연료를 계속 증식시키게 된다.

우라늄-238은 스스로 핵분열을 못하기 때문에 고속 증식로를 가동할려면 처음에 많은 중성자를 투입해야 한다. 이는 효율 높은 중성자 생성 장치가 있어야 하지만 아직까지는 이러한 중성자 투입이 현실적으로 불가능하다. 따라서 플루토늄이나 우라늄-235를 섞은 연료로 연구하고 있다.

또한 냉각제를 나트륨을 쓰는 것도 증식로 가동의 어려움에 한 몫을 하고 있다. 이는 납, 갈륨을 이용한 냉각로도 마찬가지이다. 이는 냉각제의 녹는점을 항시 유지해야 하고 납 냉각로의 경우는 부식과 독성, 나트륨은 공기와의 산화에 주의해야 하기 때문이다. 또한 헬륨을 이용한 고온 가스 냉각로도 있지만 헬륨의 부족, 저장, 예산 문제가 있다

2.우라늄-238의 특성

미래에 우라늄-235의 반감기가 매우 짧기 때문에 우라늄-238이 100% 남게 될 것이다. 과거에는 우라늄-235와 236도 많이 있었지만 반감기가 짧아 236은 이미 42억년전에 사라져 현재는 자발핵분열로 인해 튀어나온 중성자로 생성된 극미량만 남아있고 우라늄-235도 0.72%밖에 남아 있지 않다.

우라늄-238은 자발 핵분열 비율과 알파 붕괴의 비율이 180만대 1의 비율을 나타내고 있지만 반감기가 매우 길다. 이러한 특성으로 우라늄-238은 임계질량이 존재하지 않는다. 역시 우라늄-236도 마찬가지이다.

알파붕괴를 통해 토륨-234로 붕괴한다. 토륨-234는 곧바도 프로트악티늄-234를 거쳐 우라늄-234로 붕괴한다. 최종적으로 납-206으로 붕괴되는데 우라늄-238이 붕괴되는 열로 지구 지열의 18%를 차지한다.

우라늄이 납으로 붕괴되는 붕괴사슬 과정중에 기체 동위체인 라돈-222가 있는데 우라늄이 많이 매장되어 있는 지역에서의 지하에는 라돈의 방사선으로 연간 100~300mSv가 관측되는 지역도 존재한다.

 

천연 우라늄은 우라늄-235 와 우라늄-238 두 가지 물질로 이루어져있는데 이 둘은 질량 비율이 235 대 238 인 것만 다르고 화학적 성질은 같은 동위원소야.

천연 우라늄은 우라늄-235가 0.7% 의 비율로, 우라늄-238이 99.3% 의 비율로 이루어져 있어.

핵분열을 일으키는 녀석은 U-238 이 아니라 U-235이고, 0.7%의 U-235 농도를 90% 이상까지 농축시킨 것을 고농축 우라늄이라고 해.

위의 그림에서 3번처럼 보이는게 고농축 우라늄이지.

핵무기의 종류는 크게 두가지가 존재해.

1) 플루토늄 원자탄

2) 우라늄 원자탄

둘의 차이는 당연하게, 플루토늄 원자탄은 플루토늄의 핵분열을 이용하고 우라늄 원자탄은 우라늄의 원자탄을 이용하지.

파괴력을 발생시키는 원리는 둘 모두 핵물질에 중성자를 쬐어서 발생하는 급속도의 연쇄반응이지만, 

플루토늄/우라늄을 얻는 과정은 조금 달라.

간단히 말하면 플루토늄은 '원자로에서 쓰고 남은 찌꺼기' 에서 플루토늄만 걸러내서 얻고

우라늄은 '천연 우라늄 자체에서 U-235만 분리'해서 얻어.

원자로는 핵무기와 달리 전기를 생산하는 목적으로 가동되기 때문에, U-235의 비율이 3~5% 정도로 비교적 적게 농축된 저농축 우라늄을 사용해.

그런데 이 저농축 우라늄을 태우고 난 폐연료봉에는 핵변환으로 발생된 상당한 양의 플루토늄이 들어있어.

이 폐연료봉을 녹여서 화학/물리적 방법으로 플루토늄만 걸러내서 농축하면 그게 바로 플루토늄 핵무기야.

플루토늄을 따로 추출하는 과정을 '사용후 재처리'라고 하는데, 이게 위의 방법처럼 핵무기를 만들 수 있기 때문에 

미국, 프랑스, 일본, 러시아 등등 선진국 및 핵무기 보유국 몇개를 제외하고는 전세계에서 현재 금지되어 있어

우라늄은 석탄 생산지에서 채취되고 있으며 우라늄을 원자로(플루토늄), 고농축우라늄(우라늄-235 농축)으로 핵무기를 개발해왔다