학문
천연 우라늄(⁹²U)의 동위원소 비율이 핵연료로 사용되기 위해 농축이 필요한 이유는 무엇인가요?
원자력 발전에서는 천연 우라늄에서 핵분열이 가능한 우라늄-235의 비율을 인위적으로 높이는 과정이 필요하다고 하던데요, 천연 우라늄(⁹²U)의 동위원소 비율이 핵연료로 사용되기 위해 농축이 필요한 이유는 무엇인가요?
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안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 원자번호 92번의 천연 우라늄은 사실 하나의 핵종이 아니라 여러 동위원소의 혼합물인데요, 물론 99% 이상은 우라늄-238이지만, 우라늄-235, 우라늄-234 역시 함께 존재합니다. 이 중에서 자발적으로 열중성자에 의해 쉽게 핵분열을 일으켜 연쇄 반응을 유지할 수 있는 핵종은 질량수 235를 가지는 우라늄인데요, 우선 천연 우라늄을 그대로 쓸 수 없는 이유는 열중성자에 잘 분열하지 않기 때문입니다. 이는 대부분의 중성자를 흡수해버리고, 핵분열보다는 다른 반응을 유발하기 때문에 연쇄 핵분열 반응을 직접적으로 유지할 수 없습니다. 또한 천연 상태에서 0.7% 정도밖에 되지 않아, 일반적인 원자로에서 필요한 연쇄 반응 조건을 만족하기 어렵습니다.
따라서 원자로에서는 존재 비율을 3~5% 수준까지 높여야 안정적인 연쇄 반응을 유지할 수 있기 때문에, 이를 위해 기체 확산법, 가스 원심분리법 같은 방법으로 천연 우라늄에서 가벼운 동위원소를 분리·농축하는 것입니다. 감사합니다.