고농축 우라늄과 같이 핵물질같은건 어떻게 농축하는건가요?

Question

최근 미국과 이란에서의 종전협상 결렬 내용중에

이란의 농축 우라늄 처리 방안에 대한 글을 보다가 문득 떠오른 궁금증이

우라늄과 같은 핵물질은 어떻게 농축시키는건가요?

그냥 내부 불순물을 없에서 순도를 높인거라고 봐야하나요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

우라늄 농축이라는 것은 단순히 광석 속의 불순물을 제거해 순도를 높이는 것과는 다릅니다. 천연 우라늄은 대부분이 핵분열을 잘 일으키지 않는 우라늄-238로 이루어져 있고, 실제로 원자로와 핵무기에서 중요한 역할을 하는 우라늄-235는 약 0.7%밖에 들어 있지 않습니다. 농축이라는 것은 바로 이 우라늄-235의 비율을 인위적으로 높이는 과정입니다.

문제는 우라늄-235와 우라늄-238이 화학적으로는 거의 동일하기 때문에 화학적 정제 방법으로는 분리할 수 없다는 점입니다. 그래서 물리적 성질, 특히 질량 차이를 이용한 방법들이 개발되었습니다. 대표적인 것이 원심분리법인데, 우라늄을 기체 상태의 육불화우라늄(UF₆)으로 만든 뒤 초고속으로 회전시키면 무거운 U-238은 바깥쪽으로, 상대적으로 가벼운 U-235는 안쪽에 모여 조금씩 분리됩니다. 이 과정을 수천, 수만 번 반복해야 원하는 농도에 도달할 수 있습니다. 과거에는 가스 확산법이나 전자기 분리법 같은 방식도 사용되었지만, 현재는 원심분리법이 가장 효율적이고 널리 쓰입니다.

즉, 우라늄 농축은 단순한 불순물 제거가 아니라 동위원소 분리 기술을 통해 핵분열 가능한 U-235의 비율을 높이는 고도의 공정입니다. 이 때문에 막대한 비용과 첨단 기술이 필요하고, 국제적으로도 엄격히 관리되는 민감한 분야로 다뤄집니다.

Answer 2

안녕하세요.

'우라늄 농축'은 자연 우라늄 속에서 U-235 비율을 높이기 위해 U-238과 동위원소 분리를 수행하는 공정인데요, 즉 동일한 우라늄이라도 질량이 조금 다른 원자들을 분리하는 과정입니다.

자연 상태의 우라늄은 대부분 우라늄-238 이고, 핵분열이 비교적 잘 일어나는 우라늄-235입니다. 하지만 우라늄-235는 약 0.7% 정도만 포함되어 있기 때문에 원자력 발전용 연료나 특정 핵기술에서는 우라늄-235 의 비율을 높일 필요가 있어 있습니다. 우선 광석에서 우라늄을 추출하고 불순물을 제거하는 단계를 거치긴 하지만 이는 우라늄 화합물을 얻는 정련 과정이라고 할 수 있고, 우라늄 농축은 정제된 우라늄 안에서 U-235와 U-238을 서로 나누는 단계라고 보시면 됩니다. 다만 두 동위원소가 화학 성질이 거의 같아서 분리가 어려운데요, 따라서 산업적으로는 질량 차이를 이용합니다. 대표적으로 우라늄을 기체 형태의 화합물로 만든 뒤, 아주 미세한 질량 차이에 따라 분리하는 방식이 사용됩니다. 가장 널리 알려진 방식은 가스 원심분리인데요, UF₆ 기체를 초고속으로 회전하는 원통 장치에 넣으면, 더 무거운 우라늄-238 쪽이 바깥으로 조금 더 몰리고, 더 가벼운 우라늄-235 쪽이 중심부에 상대적으로 많이 남습니다. 이때 수많은 원심분리기를 연속 연결하여 조금씩 농도를 높여 갑니다. 농축 수준에 따라 용도에 차이가 있는데요, 저농축 우라늄은 일반적으로 원자력 발전 연료에 사용될 수 있고, 더 높은 농축도는 국제적으로 매우 민감하게 관리됩니다. 감사합니다.