원자력발전의 주 원료, 우라늄이란?

예전에는 미처 이름이 알려지지 않았던 수많은 여성 과학자와 예술가들이 주목 받고 끊임없이 재발굴되고 있습니다. 개중에는 역사를 움직인 발견을 한 여성들도 있는데요, 우리에게 퀴리 부인이라고 흔히 알려진 마리아 스콜로도프스카 역시 세상을 움직일 발견을 했답니다. 원자력발전의 핵심이라 할 수 있는 “방사성 붕괴”를 관찰하고 “방사능”이라는 용어를 만들어낸 것인데요. 이 발견이 없었더라면 우리는 지금과는 전혀 다른 모습의 21세기를 살고 있었을 것입니다.

오늘은 이 발견의 핵심이 되는 ‘우라늄’에 대해서 이야기를 나눠보려고 해요. 기록되기 전부터 언제나 거기에 있었으나 발견되어 대체할 수 없는 자신만의 자리를 찾은 ‘우라늄’. 어쩐지 감동적이기까지 하죠? 그러면 우라늄의 세계로 다함께 빠져보아요!

우라늄의 원소기호는 U이며 밀도가 높은 은색 고체 금속입니다. 독성이 매우 크며 동위원소들은 모두 자연 방사성원소라고 해요. 천연에서 얻는 원자번호가 가장 큰 원소이기도 하지요. 주기율표에서는 악티늄족에 속한다고 합니다. 주로 광석에서 추출합니다. 우리가 원자력 발전 연료로 주로 사용하는 것은 우라늄235, 우라늄238은 원자로에서 플루토늄239로 전환시켜 핵 연료로 사용합니다. 화합물은 노란색 착색제로 주로 사용하고 있어요.

또 이 우라늄은 지구 껍질에 평균 약 2.3ppm(0.00023%) 농도로 들어있으며, 은이나 수은, 주석보다 풍부한 원소라고 합니다. 우리가 흔히 알고 있듯이 현대에는 주로 원자력 발전에 사용되고 있지요. 천연우라늄의 0.72%를 차지하고 있는 우라늄-235(143개의 중성자가 있어 원자 질량이 235인 우라늄 동위원소)는 천연 동위원소들 중에서는 유일하게 핵분열이 가능하다고 해요. 이 우라늄235를 원자력 발전에 이용하기 위해서는 이 우라늄235의 비율을 높게 농축시켜야 한대요. 한편 천연 우라늄의 99.27%를 차지하는 우라늄238은 그 자체가 핵분열을 하지는 않지만 원자로에서의 핵반응을 통해 플루토늄 239로 변환됩니다. 이 플루토늄 239는 우라늄 235와 마찬가지로 핵분열이 가능하구요. 때문에 우라늄 원자로에서 나오는 폐연료를 재처리하여 플루토늄 239를 얻고 이를 원자력 발전에 사용하는 것이죠.

지금까지 보았듯 우라늄은 잘 사용하면 인류에게 장기간 안정적으로 에너지를 공급할 수 있지만, 발전 과정에서 나오는 방폐물의 처리와 보관이 어렵다는 점 역시 현재 원자력발전이 해결해야 할 문제점으로 대두되고 있지요.

사실 사람들은 우라늄에서 방사능이 나온다는 사실을 알게 되기 전에도 수백 년 동안 우라늄 광석을 채광해왔습니다. 도자기 유약, 채색 유리, 타일 등을 만드는 데 주로 사용되어 왔거든요. 특히 우라늄의 화합물인 천연산화우라늄은 고대 로마시대부터 도자기 유약에 사용되어온 기나긴 역사를 가지고 있습니다. 우라늄 광석인 피치블렌드는 유리를 노란색으로 바꾸기 위해 유리에 첨가되어 왔답니다. 

1789년 독일의 화학자 마르틴 클라프로트가 피치블렌드에 알려지지 않은 원소가 포함되어 있다는 사실을 알아냈습니다. 피치블렌드라고만 널리 불리고 알려졌던 이 원소에 우라늄이라는 이름을 붙인 사람도 마르틴 클라프로트인데요, 1781년에 발견된 천왕성(우라노스)의 이름을 따 우라늄이라고 불리게 되었습니다. 1841년, 프랑스 화학자인 외젠 멜키오르 펠리고는 처음으로 우라늄 금속 샘플을 만들었습니다. 1896년 역시 프랑스, 물리학자 앙투안 앙리 베크렐은 방사능을 발견했구요.1898년, 베크렐의 밑에서 박사과정을 밟고 있던 폴란드 출신 물리학자 마리 퀴리는 방사성 붕괴를 관찰하고 ‘방사능’이라는 용어를 만들었지요. 우라늄에서 나오는 비가시광선을 연구하고 이 광선이 화학반응이나 열 또는 빛에 의해서가 아니라 우라늄 원자 자체에서 나온다는 것을 보여준 것입니다. 

그리고 1930년 말, 드디어 우라늄-235와 플루토늄-239의 연쇄 핵분열 현상이 발견되었습니다. 이후 이 현상을 활용하여 핵폭탄 개발이 이어지게 됐죠. 1945년, 2차 세계대전을 종결시킨 히로시마 원자폭탄투하가 이때 벌어집니다. 이후 동서 냉전 시대에 핵무기 개발 전쟁이 심화되는 한편, 우리늄을 연료로 사용하는 원자력 발전이 실용화되기 시작하였습니다. 지금은 원자력 발전이 세계에너지 공급량의 6%, 전력 생산의 13~14%를 차지하고 있습니다. 우리나라의 원자력 발전량은 23.4%인데요.(18년도 기준) 놀랍게도 1kg의 우라늄 235는 석탄 3,000톤이 타면서 내는 에너지와 같은 양의 에너지를 낼 수 있다고 합니다. 신재생에너지로 주목받을만 하죠? 그렇다면 우라늄, 조금 더 자세하게 알아볼까요?

자연에 존재하는 우라늄의 1% 미만을 차지하고 있는 우라늄-235는 핵분열을 일으키는 동위원소입니다. 중성자가 이 동위원소의 원자핵에 충돌하면서 원자핵은 두 개로 분열되고 이 과정에서 에너지와 더 많은 중성자를 방출하게 돼죠. 이때 방출된 중성자는 다른 우라늄-235의 원자책에 충돌하여 연쇄 핵분열반응을 일으키고, 이때 엄청난 양의 에너지가 방출됩니다. 또 이 에너지는 많은 양의 열로 전환되어요. 우라늄 235의 양이 충분히 많을 경우 이 연쇄반응이 계속 유지됩니다. 이렇게 연쇄반응을 계속 일으켜 방출된 에너지를 사용하는 것이 바로 원자력 발전입니다. 이때 발생한 에너지는 원자력발전소에서 전기를 발생시키는데 이용되는 것이죠.

그리하여 사용 후 핵연료는 열화우라늄이라고 불리기도 합니다.

이렇게 우라늄에 대해 살펴보니, 원자력발전에 대해서도 얼추 윤곽이 잡히는 것 같습니다. 원자력발전소의 연료는 대부분 우라늄 금속보다 녹는점이 높고 공기와 반응하지 않는 산화우라늄입니다. 우라늄 연료는 연쇄반응이 일어날 수 있도록 우라늄235의 함량을 증가시킨 농축 우라늄이랍니다. 기체 원심분리기를 사용해 농축 과정을 거치면 우라늄235의 함량은 3%에서 최고 20%까지 증가합니다. 이것을 원자로의 연료로 사용하는 것이죠. 농축을 90%까지 증가시키면 원자폭탄의 연료로 사용할 수 있다고 하네요. 그리고 이 농축과정에서 발생한 부산물은 납보다 밀도가 높아 다른 금속과 합금을 형성해 X-선 장비의 차폐용 재질이나 군사용 장갑, 포탄제조용으로 사용합니다!

오늘은 이렇게 우라늄에 대해 개략적으로 살펴보았는데요. 우라늄 하나만 꼼꼼히 살펴보았는데도 원자력 발전이 어떤 방식으로 일어나는지를 알 수 있었어요! 세상에는 표면적인 것에 덮여 잘 보이지 않는 것이 정말 많은 것 같네요. 마치 우라늄으로 시작된 원자력 발전처럼 말이에요. 작은 것의 힘을 돌아보는 좋은 시간이었죠? 눈에 보이지 않는 원소 하나가 세계를 뒤집을 정도의 힘을 가지고 있는 것을 보면 말이에요. 우리 하나하나도 아마 그런 힘을 가지고 있지 않을까요? 가시화되지 않은 많은 것들이 세상을 움직이는 힘이라는 것을 모두가 알게 되는 그날까지 우리 지치지 말자구요.