한국 핵관련실험 계기로 본 우라늄의 일생

금속 우라늄을 관찰하고 있는 과학자의 모습. 금속 우라늄을 농축해 우라늄235의 농도를 증가시켜야 원자력발전소의 핵연료로 사용될 수 있다.-동아일보 자료사진

최근 잇따른 핵 관련 실험으로 우라늄이 많은 관심을 받고 있다. 신문 지면을 장식하는 저농축우라늄 고농축우라늄 플루토늄 등은 모두 우라늄의 일생에서 만들어지는 물질이다. 과연 이들은 어떻게 만들어지는 것일까.

처음 핵 관련 의혹을 불러일으켰던 농축우라늄은 ‘농축’이라는 말과는 달리 오히려 우라늄이 다이어트를 한 것이다. 자연 상태의 우라늄은 두 종류가 섞여 있는데 가벼운 우라늄(235)과 무거운 우라늄(238)이 그것이다. 요즘 마른 사람이 더 인기가 있듯 우라늄의 세계에서도 가벼운 우라늄이 더 쓸모가 많다. 가벼운 우라늄은 불안정하기 때문에 바깥에서 조금만 충격을 줘도 바로 변화를 일으키는데 이것이 핵분열이다. 핵연료든 폭탄이든 우라늄이 핵분열을 일으켜야 필요한 에너지를 얻을 수 있다.

문제는 우라늄에 들어 있는 가벼운 우라늄이 0.7%에 불과하다는 점이다. 나머지는 무거운 우라늄이다. 이런 우라늄을 원자력발전에 쓰면 효율이 떨어진다. 이 때문에 가벼운 우라늄을 더 늘려 사용하는데 이것이 ‘우라늄 다이어트’다. 다이어트 정도에 따라 가벼운 우라늄을 2∼4%로 늘린 것이 저농축우라늄, 90% 이상으로 늘린 것이 고농축우라늄이다. 가벼운 우라늄은 핵연료로 쓰이지만 고농축우라늄은 원자폭탄을 만드는 데 쓰인다. 최근 한국에서 문제가 된 농축우라늄은 가벼운 우라늄이 10% 들어 있다.

우라늄 다이어트에는 여러 방법이 있는데 이번에 한국에서 사용된 레이저농축법은 우라늄에 레이저를 쏘아 가벼운 우라늄을 분리하는 기술이다. 아직 상용화되지 않은 데다 많은 양의 우라늄을 얻기 어려워 핵폭탄을 만드는 데는 쓰기 어렵다는 것이 전문가들의 견해다.

무거운 우라늄도 변화를 일으킬 수 있다. 핵연료가 원자로 안에서 핵분열을 일으키면 중성자가 많이 만들어진다. 이 중성자가 무거운 우라늄에 부딪치면 가벼운 플루토늄(239)이 만들어진다. 이 플루토늄이 무거워지기 전에 특수 용액을 이용해 뽑아낼 수 있다. 가벼운 플루토늄으로 원자폭탄을 만들 수 있기 때문이다. 플루토늄도 가벼워야 몸값이 비싼 셈이다. 원자폭탄을 만들려면 우라늄은 52kg이 필요하지만 플루토늄은 11kg이면 충분해 더 위력적이다.

세상에 나오기 전 지하에 광석 형태로 묻혀 있는 우라늄을 ‘천연우라늄’이라고 한다. 천연우라늄이 들어 있는 광석이 인광석이다. 원유를 자동차에 넣어 쓸 수 없듯 우라늄 광석도 가공 과정을 거쳐야 원자력발전소에서 쓸 수 있는 형태로 바뀐다. 인광석에는 우라늄이 0.02%로 매우 적게 들어 있기 때문이다.

가장 먼저 하는 작업이 천연우라늄에서 불순물을 없애 금속막대 형태의 ‘금속우라늄’으로 바꾸는 과정이다. 먼저 인광석을 산화시킨 뒤 다시 불소를 붙여준다. 이 물질에 마그네슘을 섞어 섭씨 750도로 가열하면 불소가 떨어져 나가고 순수한 우라늄이 나온다. 이 우라늄에서 가벼운 우라늄의 비율을 늘리면 우리가 쓰는 핵연료가 된다.

김상연 동아사이언스기자 dream@donga.com