우라늄 동위 원소

자연계에 존재하는 우라늄(U)의 동위 원소는 원자량 234, 235, 238이 존재한다.나머지는 인공적으로 만들어지는 동위원소들이다.극미량이 토륨과 우라늄-235, 238의 자발적 핵분열로 U-233, U-236, U-237, U-239, U-240가 생성되어 자연계에 존재하기는 하지만 극미량이라 무시된다.얼마나 극미량이냐면 반감기가 긴 U-236도 1조 3천억분의 1의 양이 우라늄 광석에 함유되어 있으며 U-235의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자를 U-235원자가 중성자 한개를 흡수함으로써 생성된다. (순수 천연 우라늄 1kg에 1조 9천억개의 우라늄-236 원자가 들어있다는 뜻)U-233은 토륨-232의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자를 토륨-232가 1개 흡수함으로써 생성된다. 나머지 U-237과 U-239도 그런식으로 극미량 존재한다.U-240은 극미량 존재 동위 원소인 Pu-244의 알파붕괴로 생성, Pu-244는 반감기가 8000만년이나 되기 때문에 자연계에 극미량 존재한다. 하지만 U-240의 반감기가 매우 짧아서 초극미량이라 관측되지는 않았지만 Pu-244가 극미량 존재하므로 분명히 U-240도 자연계에 극미량 존재했다가 사라졌다 극미량 존재했다 사라졌다를 반복하고 있다.

인공적으로 만들어진 우라늄의 동위 원소는 217부터 242까지 존재한다.

우라늄-232

U-232는 토륨 핵반응으로 생성된 U-233들 중 수ppm~수십ppm가량이 중성자를 흡수함과 동시에 2개 방출하여 생성된다. 연료를 다 태우고 난 이후의 사용후핵연료내의 우라늄-232의 함유량은 대략 1ppm가량 함유되어 있는데, 반감기가 68.9년으로 매우 짧고, 강한 감마선을 내뿜는 붕괴사슬동위체들이 몇몇 있어 재처리 이후 상당기간 보관 후 재활용할 수 있다.

우라늄-233

반감기가 15만 9200년으로 토륨 핵반응으로 인해 생성된다. 열중성자 핵분열 효율이 92%에 이르고 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 84~88%에 이르러 핵연료로 이용할 수 있다.토륨-232가 중성자를 하나 흡수하여 토륨-233이 되며, 토륨-233은 붕괴를 하여 프로트악티늄-233이 된다. 프로트악티늄-233은 26.975일의 긴 반감기를 거쳐 우라늄-233으로 붕괴된다.

이러한 성질로 제 4세대 원전들 중 하나인 토륨 원전은 우라늄-233을 이용할 목표를 삼고 있다.

반감기가 15만 9200년이나 되기 때문에 재처리를 하지 않으면 폐기물이 되며 140만년 이상 보관해야 한다.

우라늄-234

반감기는 24만 5천년이며, 자연계에 미량 존재하며 우라늄-238의 붕괴로 생성된다. 토륨 원전의 핵심이며 Pa-233이 중성자를 하나 얻어 생성된다. Pa-233의 반감기가 26.975일이나 되어 U-233으로 붕괴하기도 전에 중성자를 흡수하여 25~27% 이상의 비율이 U-234로 변환되어 토륨 원전의 중성자가 부족하게 되는 원인이 된다. 따라서 중성자를 추가로 공급해주어야 한다.

하지만 이는 대형의 중성자 공급장치를 필요로 한다는 점에서 경제성이 없다.토륨 원전에서는 이러한 성질 때문에 토륨에 플루토늄-239, 우라늄-235 등을 섞어 사용하는 방법도 있지만 핵분열성 동위원소를 고농축해야 하므로 실효성이 떨어진다.

U-234는 원자로에서는 U-233가 중성자를 한개 먹어 생성되기도 한다. U-234는 핵분열을 못하므로 추가로 중성자를 흡수하여 U-235가 되고 또 하나의 중성자가 U-235과 충돌해야 핵분열이 될 수 있다.

우라늄-235

가장 핵심인 우라늄의 동위 원소로 현재 원자로의 주역인 동위체이다. 열중성자 핵분열 효율이 78~82%에 이르고 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 66~67%에 이르러 핵연료의 핵심으로 이용하고 있다. 우라늄-235의 반감기는 7억 380만년으로 비교적 짧아 자연계에 0.7%밖에 존재하지 않지만 44억년전 지구 초창기 시절에는 천연 동위체에 20%나 존재했었다.

중성자를 먹으면 스스로 핵분열을 하기 때문에 원자로 뿐 아니라 핵무기에도 이용하고 있다.우라늄-235의 자발핵분열로 인해 튀어나오는 중성자 덕분에 순도 100%의 우라늄-235가 54kg이 모이면 스스로 폭발할 수 있는데 이것을 임계질량이라고 한다. 중성자 반사제를 이용하면 15kg까지 임계질량을 줄일 수 있다.

우라늄-236

반감기가 2342만년인 이 동위체는 이미 40억년전에 지구상에서 완전히 사라졌지만, 우라늄-235의 자발핵분열로 인해 생성된 중성자 활동으로 인해 새로 형성된 우라늄-236은 현재 자연계에서 발견되고 있다. 워낙 극미량이라 우라늄 동위 원소들 중 1조 3000억분의 1의 비율이지만 우라늄-235가 중성자를 하나 얻으면 생성되기 때문에 의미는 있다.원자로에서도 대량 생산되는데 핵분열을 못해 핵폐기물로 분류된다. 그 다음 동위체인 우라늄-237도 핵분열 효율이 극히 낮으며, 넵투늄-237도 핵분열을 못한다. 또 다음 동위체인 238도 핵분열 효율이 극히 미미하므로 핵분열을 못한다고 볼 수 있기 때문에 우라늄-236은 핵폐기물로 분류되지만 중성자를 2개 흡수하면 원자력 전지의 연료인 플루토늄-238을 형성할 수 있기 때문에 우라늄-236의 일부는 플루토늄-238을 제조하는데 쓰인다.

우라늄-237

우라늄-236이 중성자를 흡수하여 생성되지만 열중성자 핵분열 효율이 불과 0.4%, 고속중성자(자원중성자) 핵분열 효율도 4.1%에 불과하다. 또한 반감기도 6.75일로 매우 짧아 중성자를 먹기도 전에 93.7%의 대부분이 넵투늄-237로 붕괴된다. 열중성자로에서는 우라늄-237중 0.4%만 핵분열을 하고 99.6%는 우라늄-238로 변환된다.

우라늄-238

천연 동위 원소로 자연계에 가장 많이 존재하는데 반감기가 45억년이나 되기 때문이다. 태양계의 역사보다 1억 400만년 짧은 반감기를 가지고 있기 때문에 태초의 우라늄-238의 양과 비교하면 아직도 49%나 남아있다. 우라늄-238은 우라늄 동위체의 99.28%나 존재하며 핵연료의 희석제로 쓰인다. 고속중성자(자원중성자)를 이용하면 많은 비율을 플루토늄-239로 바꿀 수 있기 때문에 기대되는 동위체이다. 열중성자로에서도 많은 양의 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 대량의 플루토늄-239를 형성하고 실제로 원자로의 에너지의 26%는 플루토늄-239의 핵분열로 생성된다.

우라늄-239

우라늄-238이 중성자를 하나 흡수하여 생성된다. 반감기가 23분으로 매우 짧아 즉시 넵투늄-239로 붕괴된다고 할 수 있다.

우라늄-240

반감기가 14시간 30분으로 플루토늄-244가 붕괴되어 생성된다.

표

핵종 기호	과거 명칭	Z(p)	N(n)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식^[1]^{[n 1]}	붕괴 생성물^{[n 2]}	핵 스핀	전형적 동위 원소 구성비 (몰 분율)	자연적 구성비 변동 범위 (몰 분율)
핵종 기호	과거 명칭	들뜬 에너지			반감기	붕괴 방식^[1]^{[n 1]}	붕괴 생성물^{[n 2]}	핵 스핀	전형적 동위 원소 구성비 (몰 분율)	자연적 구성비 변동 범위 (몰 분율)
²¹⁷U		92	125	217.02437(9)	26(14) ms [16(+21-6) ms]			1/2-#
²¹⁸U		92	126	218.02354(3)	6(5) ms	α	²¹⁴Th	0+
²¹⁹U		92	127	219.02492(6)	55(25) ms [42(+34-13) ms]	α	²¹⁵Th	9/2+#
²²⁰U		92	128	220.02472(22)#	60# ns	α	²¹⁶Th	0+
²²⁰U		92	128	220.02472(22)#	60# ns	β⁺ (드묾)	²²⁰Pa	0+
²²¹U		92	129	221.02640(11)#	700# ns	α	²¹⁷Th	9/2+#
²²¹U		92	129	221.02640(11)#	700# ns	β⁺ (드묾)	²²¹Pa	9/2+#
²²²U		92	130	222.02609(11)#	1.4(7) us [1.0(+10-4) us]	α	²¹⁸Th	0+
²²²U		92	130	222.02609(11)#	1.4(7) us [1.0(+10-4) us]	β⁺ (10⁻⁶%)	²²²Pa	0+
²²³U		92	131	223.02774(8)	21(8) us [18(+10-5) us]	α	²¹⁹Th	7/2+#
²²⁴U		92	132	224.027605(27)	940(270) us	α	²²⁰Th	0+
²²⁵U		92	133	225.02939#	61(4) ms	α	²²¹Th	(5/2+)#
²²⁶U		92	134	226.029339(14)	269(6) ms	α	²²²Th	0+
²²⁷U		92	135	227.031156(18)	1.1(1) min	α	²²³Th	(3/2+)
²²⁷U		92	135	227.031156(18)	1.1(1) min	β⁺ (0.001%)	²²⁷Pa	(3/2+)
²²⁸U		92	136	228.031374(16)	9.1(2) min	α (95%)	²²⁴Th	0+
²²⁸U		92	136	228.031374(16)	9.1(2) min	ε (5%)	²²⁸Pa	0+
²²⁹U		92	137	229.033506(6)	58(3) min	β⁺ (80%)	²²⁹Pa	(3/2+)
²²⁹U		92	137	229.033506(6)	58(3) min	α (20%)	²²⁵Th	(3/2+)
²³⁰U		92	138	230.033940(5)	20.8 d	α	²²⁶Th	0+
						SF (1.4×10⁻¹⁰%)	다양
						β⁺β⁺ (드묾)	²³⁰Th
²³¹U		92	139	231.036294(3)	4.2(1) d	ε	²³¹Pa	(5/2)(+#)
²³¹U		92	139	231.036294(3)	4.2(1) d	α (0.004%)	²²⁷Th	(5/2)(+#)
²³²U		92	140	232.0371562(24)	68.9(4) y	α	²²⁸Th	0+
						CD (8.9×10⁻¹⁰%)	²⁰⁸Pb ²⁴Ne
						CD (5×10⁻¹²%)	²⁰⁴Hg ²⁸Mg
						SF (10⁻¹²%)	다양
²³³U		92	141	233.0396352(29)	1.592(2)×10⁵ y	α	²²⁹Th	5/2+
						SF (6×10⁻⁹%)	다양
						CD (7.2×10⁻¹¹%)	²⁰⁹Pb ²⁴Ne
						CD (1.3×10⁻¹³%)	²⁰⁵Hg ²⁸Mg
²³⁴U^{[n 3]}^{[n 4]}	Uranium II	92	142	234.0409521(20)	2.455(6)×10⁵ y	α	²³⁰Th	0+	[0.000054(5)]^{[n 5]}	0.000050- 0.000059
						SF (1.73×10⁻⁹%)	다양
						CD (1.4×10⁻¹¹%)	²⁰⁶Hg ²⁸Mg
						CD (9×10⁻¹²%)	¹⁸⁴Hf ²⁶Ne ²⁴Ne
^234mU		1421.32(10) keV			33.5(20) ms			6-
²³⁵U^{[n 6]}^{[n 7]}^{[n 8]}	Actin Uranium Actino-Uranium	92	143	235.0439299(20)	7.04(1)×10⁸ y	α	²³¹Th	7/2-	[0.007204(6)]	0.007198- 0.007207
						SF (7×10⁻⁹%)	다양
						CD (8×10⁻¹⁰%)	¹⁸⁶Hf ²⁵Ne ²⁴Ne
^235mU		0.0765(4) keV			~26 min	IT	²³⁵U	1/2+
²³⁶U		92	144	236.045568(2)	2.342(3)×10⁷ y	α	²³²Th	0+
²³⁶U		92	144	236.045568(2)	2.342(3)×10⁷ y	SF (9.6×10⁻⁸%)	다양	0+
^236m1U		1052.89(19) keV			100(4) ns			(4)-
^236m2U		2750(10) keV			120(2) ns			(0+)
²³⁷U		92	145	237.0487302(20)	6.75(1) d	β^-	²³⁷Np	1/2+
²³⁸U^{[n 4]}^{[n 6]}^{[n 7]}	Uranium I	92	146	238.0507882(20)	4.468(3)×10⁹ y	α	²³⁴Th	0+	[0.992742(10)]	0.992739- 0.992752
						SF (5.45×10⁻⁵%)	다양
						β^-β^- (2.19×10⁻¹⁰%)	²³⁸Pu
^238mU		2557.9(5) keV			280(6) ns			0+
²³⁹U		92	147	239.0542933(21)	23.45(2) min	β^-	²³⁹Np	5/2+
^239m1U		20(20)# keV			>250 ns			(5/2+)
^239m2U		133.7990(10) keV			780(40) ns			1/2+
²⁴⁰U		92	148	240.056592(6)	14.1(1) h	β^-	²⁴⁰Np	0+
²⁴⁰U		92	148	240.056592(6)	14.1(1) h	α (10⁻¹⁰%)	²³⁶Th	0+
²⁴¹U		92	149	241.06033(32)#	5# min	β^-	²⁴¹Np	7/2+#
²⁴²U		92	150	242.06293(22)#	16.8(5) min	β^-	²⁴²Np	0+

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