2012년 8월 25일, 태양에서 약 110억 마일(180억 킬로미터) 떨어진 NASA 탐사선 보이저 1호 는 이전에 어떤 물체도 가본 적이 없는 곳으로 과감하게 태양권을 떠났습니다 . 그 경계를 넘어 보이저 1호는 태양계를 넘어 역사상 최초로 성간 공간에 진입했습니다 .
(전통적인) 주기율표 의 맨 아래 줄을 보면 이 우주적 모험을 가능하게 한 요소인 플루토늄을 찾을 수 있습니다.
플루토늄이란?
1940년대에 처음 확인된 플루토늄은 창의적 목적과 파괴적 목적 모두에 사용되었습니다. 고(故) 물리학자 존 고프만(John Goffman)은 한때 플루토늄을 "지옥의 군주의 원소" 라고 불렀습니다 . 언어학자는 동의하는 경향이 있을 수 있습니다.
그러나 먼저 이 요소에 대해 조금 더 자세히 알아보겠습니다. 플루토늄의 모든 원자에는 94개의 양성자가 있습니다. 대조적으로, 우라늄 원자 당 양성자는 92 개, 넵투늄 원자 당 93 개만 있습니다.
이 두 원소는 모두 고대 신과 행성의 이름을 따서 명명되었기 때문에 천왕성 과 해왕성 , 플루토늄은 동일한 취급을 받았습니다.
"플루토늄은 1940년 후반 캘리포니아 버클리 연구소의 Glenn Seaborg와 동료들에 의해 발견되었습니다."라고 Notre Dame 대학의 화학자인 Peter C. Burns는 이메일에서 말했습니다.
10년 전 , 천문학자들은 해왕성 근처에서 새로운 왜행성을 관찰했습니다. 지하 세계의 로마 신을 기리기 위해 "명왕성"이라고 불렀습니다. 그리고 플루토늄은 그 천체에서 그 이름을 따왔습니다.
원래 Seaborg와 회사는 버클리에서 사이클로트론 입자 가속기 를 사용하여 플루토늄을 생산할 수 있었습니다 . 이 장치로 "중수소"라고 불리는 입자가 우라늄 샘플에서 발사되었습니다. 이 실험에서 소량의 넵투늄이 생성되었으며, 이는 붕괴 과정을 통해 플루토늄이 되었습니다 .
첫 weighable 플루토늄 시료를 그 시점으로 시카고 8 월 20 일 1942 년 대학에서 생성 된 일부 당사자는 요소의 군사적 잠재력을 인정했다.
플루토늄 원자에는 항상 94개의 양성자가 있습니다. 그러나 중성자 수는 다양할 수 있으며 화학자들은 이러한 변동을 " 동위원소 "라고 부릅니다 . 우라늄에도 동위원소가 있습니다. 이들 중 하나인 우라늄-235 (U-235)는 곧 원자폭탄의 잠재적 연료 공급원으로 확인되었습니다. 발견 직후 플루토늄은 핵무기에 동력을 공급하는 또 다른 방법으로 대화에 참여했습니다. 원자 시대가 시작되려 하고 있었다.
오늘날 모든 실용적인 목적을 위해 원자로 등급과 무기 등급의 두 가지 종류의 플루토늄이 있습니다. 플루토늄은 1945년 일본 나가사키를 초토화시킨 핵폭탄 "팻 맨"의 핵심 성분으로 수만 명이 사망 하고 제2차 세계 대전을 효과적으로 종식시켰습니다.
플루토늄과 무기
군사용으로 사용되는 플루토늄 은 플루토늄 생산 원자로에서 2~3개월 동안 조사된 우라늄 연료에서 회수됩니다. 폭탄을 만드는 데 거의 순수한 플루토늄-239 동위 원소(Pu-239)가 약 22파운드(10kg) 필요합니다. 세계 원자력 협회 에 따르면 이러한 유형의 폭탄은 30메가와트 년의 원자로 작동을 필요로 하며 지속적인 연료 교체와 '뜨거운' 연료의 재처리가 필요합니다 . 이것이 "무기 등급" 플루토늄이 플루토늄의 더 높은 동위원소 농도를 증가시키는 특수 원자로에서 만들어지는 이유입니다.
1945년 7월 16일 지구 최초의 원자 폭탄 폭발 이 발생했습니다. 뉴멕시코에 있었고 160km 떨어진 곳에서도 느낄 수 있을 정도로 강력했습니다. 그것은 Alamogordo 폭격 범위에서 맨해튼 프로젝트의 일급 비밀 " 트리니티 핵 실험 " 의 일부였습니다 . 문제의 장치에는 플루토늄 코어가 있었습니다. 실험을 위해 우라늄 기반 핵무기가 배치되지 않았습니다.
그 후 미국은 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 U-235 핵폭탄을 투하했습니다. 3일 후 미국은 나가사키에 "팻 맨"이라는 두 번째 폭탄을 투하했습니다. 그해 여름 뉴멕시코에서 시험된 무기처럼 나가사키 폭탄은 플루토늄에 의존했습니다.
"[그것은] 나가사키에 대한 원자 공격의 결과로 얼마나 많은 사람들이 사망했는지 결코 확실히 알 수 없을 것"이라고 미국 에너지부의 공식 웹사이트가 보고합니다 . 그들의 최선의 추정에 따르면 "초기에 40,000명이 사망했고 60,000명이 더 부상당했습니다." 앞으로 몇 달과 몇 년 동안 최종 사망자 수는 140,000명 이상으로 증가할 수 있습니다. 나가사키 평화 공원은 매년 8 월 자신의 추억을 기리기 위해 매년 행사를 개최하고 있습니다.
오늘날 무기급 플루토늄 비축량의 가장 큰 문제는 이를 어떻게 처리할 것인가 하는 것입니다. 미국은 현재 96.6톤 (87.7미터톤)의 플루토늄과 저장 문제를 가지고 있는 것으로 추정됩니다 . 그것의 대부분은 현재 사우스 캐롤라이나의 Savannah River Site에 있는 건물에 저장되어 있습니다.
플루토늄과 전력
오늘날 원자력 발전소에서 생산되는 에너지의 1/3 이상이 플루토늄에서 나옵니다 . 그러나 미국에는 에너지를 플루토늄에 의존하는 시설이 없습니다.
원자로에서 형성되는 가장 흔한 플루토늄 동위 원소는 열화 우라늄(U-238)에서 중성자를 포획하여 생성되는 Pu-239입니다. 핵분열 시 Pu-239는 농축 우라늄(U-235)과 같은 에너지를 가질 수 있으며 이는 핵무기 에도 사용됩니다 .
역사적으로 또 다른 플루토늄 동위 원소인 Pu-238은 일부 상업용 심장 박동기 의 배터리에 전원을 공급하는 데 사용되었습니다 . 이러한 의료 기기는 리튬 기반 대체품이 시장에 출시되면서 구식이었습니다.
그러나 마지막 국경에서 플루토늄은 여전히 가치 있는 상품으로 남아 있습니다.
플루토늄과 딥스페이스
Burns는 "플루토늄의 가장 중요하고 덜 알려진 용도는 우주 탐사 중 발전을 위한 것입니다."라고 말했습니다. "플루토늄-238은 방사성 붕괴를 겪을 때 많은 열을 방출하며, 이 열은 열전 발전기에서 전기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다."
Pu-238 은 동위 원소 를 우주 기관에서 일하는 엔지니어에게 매우 매력적 으로 만드는 많은 특성을 가지고 있습니다. 우선, 전기로 전환될 수 있는 많은 열을 생성하는 데 많은 열이 필요하지 않습니다.
그런 다음 반감기 , 주어진 방사성 동위 원소에 있는 원자의 절반이 붕괴되어 다른 것으로 변하는 데 걸리는 시간을 알려주는 측정법이 있습니다. 반감기가 88년인 Pu-238은 수십 년 동안 로버와 우주 탐사선을 계속 작동시킬 수 있습니다.
태양에서 멀리 떨어진 별의 광선이 약하고 희미한 곳에서는 태양열 위성 이 잘 작동 하지 않을 것입니다. 한편, 현재는 없어진 Opportunity Rover와 같이 햇빛에 의존하는 화성 탐사선은 패널을 질식시키고 배터리 기능을 방해할 수 있는 지나가는 폭풍 의 먼지 와 싸워야 합니다.
이러한 이유로 Pu-238은 화성 탐사와 심우주 탐사에 모두 적합합니다. 지금까지 Pu-238은 최소 30대의 미국 우주선에 동력 을 공급 했습니다 . 2021년 2월 붉은 행성에 착륙 한 Perseverance Rover 에는 Pu-238로 연료를 공급 하는 발전기 가 있습니다. 이렇게 멀리 떨어진 우주선 과 같은 보이저 1 호와 보이저 2 태양계 (여행되었습니다 이후를 1977 년부터이).
플루토늄과 독성
플루토늄은 방사성 물질이지만 절대 노출되지 않을 것입니다. Carnegie Institution for Science의 Robert M. Hazen은 플루토늄의 "천연 공급원이 없다"고 말합니다. "그것은 증식로를 통해 만들어져야 하므로 지구에서 사용되는 모든 플루토늄은 인간이 만든 것입니다."라고 그는 이메일을 통해 설명합니다.
그러나 산업 공장이나 용기를 통해 환경으로 방출될 수 있지만 공기, 물, 토양 및 식품의 플루토늄 수준은 매우 낮습니다. 그러나 노출된 경우 방사된 에어로졸을 흡입하거나 피부에 접촉했을 가능성이 있습니다. 그리고 노출이 플루토늄에 얼마나, 얼마나 오래, 어떻게 접촉했는지를 포함하여 노출이 당신에게 해를 입힐지 여부를 결정하는 많은 요인 이 있습니다.
숨을 들이쉬면 일부 플루토늄이 폐에 갇혀 뼈와 간으로 이동합니다. 음식을 통해 삼키면 미량도 뼈와 간에 퍼질 수 있습니다. 플루토늄을 만지면 몸에 들어가는 것이 거의 없지만 접촉한 피부는 화상을 입을 수 있습니다. 따라서 플루토늄은 방사성 원소이지만 활동가 랄프 네이더가 한때 선언한 것처럼 "인간에게 알려진 가장 유독한 물질"은 아닙니다 .
흥미롭네요
Glenn Seaborg는 1990년대 에 Seaborgium(주기율표의 원소 106)이 명명 되었을 때 그의 생애 동안 그의 이름을 딴 원소를 새로 발견한 최초의 사람이 되었습니다 .
