농축개요

수종의 동위원소로 구성된 원소의 특정 동위원소 함양을 높이는 것을 농축이라 한다. 천연우라늄은 ²³⁸U 약 99.3%, ²³⁵U 약 0.7%로 구성되어 있으며 핵연료나 원자탄 원료를 확보하기 위하여 핵분열물질인 ²³⁵U의 함량을 높이는 농축과정이 필요하다.

농축공정은 2차 세계대전중 원자탄 원료인 고농축 우라늄을 확보하기 위하여 개발을 시작하였다. ²³⁵U와 ²³⁸U은 화학적 성질이 거의 비슷하여 화학적으로 분리하기가 어려우므로 우라늄 동위원소의 질량 차이를 이용하여 물리적으로 분리하는 방법이 개발되었다.

미국은 핵무기 개발 프로젝트인 맨하탄 프로젝트를 수행하면서 농축 우라늄을 확보하기 위하여 전자 분리법과 가스 확산법을 개발하였으며 대규모 기체확산법 농축시설을 건설하고 핵무기 원료인 고농축 우라늄을 생산하였으며 1970년대부터 동 시설을 원자력 발전소용 농축 우라늄 생산시설로 사용하였다.

²³⁵U와 ²³⁸U의 질량 차이는 1.3%로 매우 작기 때문에 질량차이를 이용하여 농축할 때 1회의 농축 공정으로 높아지는 농축도가 크지 않다. 때문에 원자로에 사용하는 저농축 우라늄, 원자탄의 원료가 되는 고농축 우라늄을 얻기 위하여는 같은 농축 공정을 수백, 수천 회 되풀이하여야 한다.

기체확산 농축법(Gaseous Diffusion Enrichment Method)

기체 분자는 자유운동을 하며, 온도가 상승하면 자유운동의 속도는 더욱 커진다. 기체확산 농축법은 무게가 다른 기체 분자가 세공 격막을 통과할 때 가벼운 분자가 무거운 분자보다 잘 통과한다는 원리를 이용한 것이다.

기체확산법 매체로는 육불화우라늄을 사용하며, 격막의 재료로 폴리에칠렌, 니켈, 알루미나 등이 사용되는데 육불화우라늄 혼합기체를 흘려보내면 격막을 통과할 때마다 가벼운 동위원소인 ²³⁵U농도가 높아진다. 제1단 고압실에 수송된 육불화우라늄 기체는 격막을 통하여 ²³⁵U동위원소가 ²³⁸U동위원소보다 더 많이 저압실로 확산된다. 저압실에 농축이 된 우라늄은 공기압축기로 재가압하여 제2단 고압실로 수송되어 다시 격막을 통하여 저압실로 확산된다. 제2단 저압실의 육불화우라늄은 제1단 저압실의 육불화우라늄보다 더 높은 농축도의 우라늄이 된다. 같은 과정을 목표하는 농축도의 우라늄을 얻을 때까지 반복한다. 각 단의 고압실에는 ²³⁵U농축도가 공급물질보다 낮은 감손 율불화우라늄이 생기며, 바로 아래 단의 확산실의 고압실로 재순환하며 농축이 된다. 천연우라늄보다 농축도가 낮은 아래 단들을 회수부, 천연우라늄보다 농축도가 높은 단들을 농축부라 한다. 목표하는 농축 우라늄을 얻기 위하여 수 천 단의 농축과정을 거쳐야 하며 공기압축기로 가압하여 농축 매체인 육불화우라늄을 확산실로 수송하여야 하므로 막대한 전력이 소요된다.

원심분리법(Centrifugal Enrichment Method)

고무줄에 공을 달아 회전을 시키면 무게가 무거울수록 원심력을 크게 받아 회전 반경이 커진다. 그와 같은 원리를 이용한 농축방법이 원심분리 농축법이다.

원심분리기에 육불화우라늄을 넣고 고속으로 회전시키면 무게가 가벼운 ²³⁵U 육불화우라늄은 회전축 부근에, 무게가 무거운 ²³⁸U 육불화우라늄은 회전통 주변에 상대적으로 많이 모인다. 이와 같이 분리된 우라늄을 적당한 방법으로 분리 회수하여 목표하는 농축도의 농축우라늄을 얻는다.

회전축의 중앙부를 통하여 공급물질을 공급하고 회전통의 위 부분을 고온으로 아래 부분을 저온으로 하여 온도차이에 의해 회전통 위 부분과 아래 부분으로 흐르는 순환류를 만들 수 있으며, 회전축 주위에 모인 농축된 육불화우라늄은 상승류로 회전통 주변에 모인 감손 우라늄은 하강류로 분류하여 흐르게 할 수 있다. 수 백개의 원심분리기를 통과하는 동안 목표한 농축도의 농축우라늄을 얻을 수 있다. 원심분리법은 기체확산법에 비하여 분리계수가 훨씬 크므로 농축을 위하여 필요한 단수도 훨씬 적다. 따라서 원심분리농축법은 기체확산농축법에 비하여 소요되는 전력이 약 1/10 수준이다. 그러나 원심분리기의 회전속도는 분당 수 만회의 초고속이므로 수선유지비가 많이든다.

레이저법(Atomic Vapor Laser Isotope Separation Method)

레이저 농축방법은 동위원소의 에너지를 흡수하는 성질이 다른 점을 이용하여 농축하는 방법이다. 금속 우라늄을 가열하여 생성된 우라늄 증기에 특정 주파수의 레이저 광선을 조사하면 ²³⁵U는 여기되고 ²³⁸U은 여기되지 않는다. 여기된 ²³⁵U에 자장을 걸어 포집하는 방법이다. 레이저 농축법의 공급물질은 금속 우라늄이며 분리계수가 매우 크다.

그 밖에 농축방법으로는 노즐법, 헬리콘법, 화학법 및 플라즈마법 이 있다.