우라늄
'''U'''ranium (영어식 발음: 유레이니엄)
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히로시마에 떨어진 리틀 보이는 우라늄이 재료로 쓰였다.
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우라늄 238
1. 개요
악티늄족 원소의 일종으로, 원자번호 '''92'''번.
천연에 존재하는 방사성 원소의 하나. 결정구조는 사방정계이며 공간군은 Cmcm. 자연에 존재하는 원소 중 원자번호가 가장 큰 원소이다.
2. 역사
1789년 독일의 화학자 M. H. 클라프로트에 의해서 피치블렌드중에 함유되어 있음을 발견하여 1781년 토성의 바깥쪽에서 발견한 새 행성 Uranus(천왕성)에서 따서 명명되었다.
홑원소물질로 처음으로 분리한 것은 1842년 프랑스의 E.M.펠리고이다. 또 프랑스의 A.베크렐은 우라늄화합물이 흑색종이를 통과해서 사진 건판을 감광시키는 사실에 주목하여 방사능을 발견했다.
3. 특징
우라늄은 전성과 연성이 풍부한 은색 금속으로, 방사능을 가지고 있다. 우라늄은 반응성이 커 금속 상태는 물론 이산화물 상태에서도, 특히 분말상일 때는 쉽게 불이 붙는다.[1] 참고로 플루토늄도 비슷하다. 우라늄은 예전부터 이미 발견되어 있었지만 위험한 물질이라고는 여겨지지 않았고,[2] 여러가지 상업용도를 가지고 있었다. 예를 들면 도자기나 유리에 산화 우라늄을 넣어 자외선이 닿을때 선명한 황록색의 빛을 발하게 만드는 것 등이 있었다. 우라늄 자체도 화학적 형태에 따라 다양한 색을 나타낸다.[3] 모스 경도는 6이다.
자연계에 몇 가지의 동위원소가 존재하며, 99.284%는 우라늄-238이고 핵연료로 쓸모있는 우라늄-235는 0.7% 남짓하다. 주된 이유는 둘의 반감기 차이. 238(약 45억 년)보다 235(약 7억년)의 반감기가 훨씬 짧아 자연계에서는 이미 대부분의 235가 붕괴해 없어져 버렸기 때문이다.
핵연료로 쓰이는 물질이라 희소한 자원일 것 같지만 그건 플루토늄이고, 사실 우라늄은 방사성 원소 중에서는 비교적 흔한 물질이라, 지각에 '''주석''' 만큼이나 풍부하다. 때문에 의외로 저렴한 편이다. U3O8의 형태로 팔리는데, 시세는 2016년 1월 기준으로 대략 파운드당 35달러, 그러니까 U3O8 kg당 8만원 정도 하는 셈이다. 때문에 천조국이 날탄이나 전차 장갑에 아낌없이 열화우라늄을 쓸 수 있는 것. 물론 핵연료로 쓸모가 있는 235로 한정하면 백금만큼 희소성이 높다. 참고로 방사성 원소들 중에서 가장 흔한 것은 토륨이다.[4]
3.1. 핵무기
1945년, 히로시마시에 투하된 원자폭탄 '리틀 보이'는 우라늄을 이용한 것이다. 이 폭탄으로 5만채 이상의 건축물이 파괴되고 7만 5천명 이상의 시민이 죽었다. 현재 우라늄의 대부분은 원자력 발전용으로 사용되고 있다. 이러한 핵분열을 하는 우라늄은 235U[5]로 자연계에 존재하는 235U의 양은 우라늄 전체의 0.7%에 불과하지만 235U 덩어리가 이상적인 조건에서는 최소 15kg[6], 어떤 조건에서든 40kg 이상이 좁은 범위에 모이면 연쇄반응을 시작하는 성질이 있다. 235U의 연쇄반응은 고속중성자와 저속중성자를 막론하고 가능하며 각 반응수단에 따라 제어가 비교적 용이하기 때문에 원자로 및 원자폭탄을 만들 수 있으며, 특히 현재 기술로 안정적인 원자로를 가동할 수 있는 거의 유일한 방사성 동위원소이기도 하다.[7][8]
3.2. 핵연료 주기
일반적인 원자로(경수로)에서는 235U의 농도[9]가 일정 수준을 넘어야 하기 때문에, 일단 광산에서 캐서[10] 정광[11]으로 만든후, 이 정광을 육플루오린화우라늄(UF6) 기체로 변환시킨 후, 농축(enrichment)하여 235U의 농도를 높인다.[12] 농축방법으로는 기체의 확산 속도가 분자량에 따라 차이가 난다는 것을 이용한 기체확산법(멤브레인법), 동위원소 질량차를 이용한 원심분리기법, 전자에너지 준위라든가 적외선 흡수 스펙트럼을 사용하는 레이저 농축등이 있는데, 대다수 농축공장에서는 가스확산법을 사용하거나, 혹은 좀더 개량된 방법인 원심분리기법을 사용한다. 농축후 남은 우라늄을 가리켜 열화우라늄이라고 한다. 농축이 끝난 우라늄을 세라믹 형태로 가공하여 이걸 원자력 발전소까지 배달[13]하는 걸 가리켜 선행핵주기(front end fuel cycle) 또는 열린 핵연료 주기[14]라고 부른다. 사실 후행핵주기(핵연료 재처리)까지 포함하면 더 길게 되지만, 간단하게 한다면 이게 끝.[15]이건 일반적인 경수로의 핵연료 주기고, CANDU라든가 Magnox같이 천연우라늄을 사용하는 원자로(중수로)의 경우엔 농축공정이 필요 없이 정광을 변환한 후 성형하여 집어넣으면 끝. 물론 이들 원자로도 농축해서 넣으면 원자로 효율이 증가하지만 말이다.
당연하지만 우라늄 농축공정은 플루토늄 생산과 마찬가지로 매우 민감한 사항이라, 다른 국가에서 농축공장을 짓는다고 하면 이런 국가들에서 노발대발한다. 이란이 농축공장 짓는것에 대해서 미국이 과민반응 하는걸 보면 잘 알수 있을듯. 그 때문에 대한민국에선 정광을 사와서 해외에 맡긴후에 농축된 우라늄을 다시 국내에서 연료로 가공하여 사용하는 여러모로 복잡한 방법을 쓰고 있다. 현재 북한이 원심분리기를 가지고 미국과 협상하고 싶어 하는듯하다. 그도 그럴것이, 플루토늄 생산과 다르게 우라늄 농축때는 우라늄과 전기만 있으면 끝[16]이기 때문에 몰래몰래 만들수 있다. 플루토늄의 경우엔 연료봉을 녹여야 되기에[17] 녹이는 과정에서 방사성 물질이 펄펄 날아가서 금방 들키는 단점이 있다.
당연히 고농축 우라늄은 핵무기로의 전용이 가능하므로 미국 등 국제사회에서 대단히 민감하게 반응하는 요소이기도 하다. '핵 없는 세상'이라는 슬로건을 내걸은 버락 오바마 미국 대통령이 핵무기와 핵물질 감축을 목표로 2010년에 핵안보정상회의를 제안하여 국제적으로 이에 대한 논의를 진행하고 있으며, 한국에서 2012년에 열렸던 2차 정상회의에서는 무기로 전용될 수 있는 고농축 우라늄을 사용하는 연구용 원자료를 저농축 원자로로 전환하기로 국제적 합의를 이끌어 내기도 했다.
3.3. 기타 용도
고고학이나 지질학에서도 사용된다. 238U (반감기 44억 6800만년)이 알파붕괴를 하면서 토륨-234이 되며, 그 때의 핵분열 흔적(fission track)이 유리질 광물(흑요석 등)에 남는데 이를 통해 연대를 측정할 수 있다. 단 우라늄의 반감기가 너무 길기 때문에 측정할 수 있는 최소 연대는 20만년 이상이며, 90만년 이상 되었다면 오차는 거의 없이 정확히 나온다.
과거에 우라늄을 포함한 도료가 주황색 페인트에 함유되었던 적이 있었다. 당시 사람들은 이유도 모르고 그 페인트로 칠해진 그릇에 음식을 담아먹다가 불쌍하게도 암 등의 질병으로 사망하였다. 방사능이 그렇게 강한 핵종은 아니지만, 우라늄도 일단은 '''중금속'''이란 점을 알아두자. 그리고 음식이 산성일 경우엔 페인트의 성분이 음식에 녹아들수 있다는 것은 상식이다.
덤으로 우라늄 유리 혹은 바셀린 유리가 있다. 위에서도 설명했듯이 우라늄 유리는 0.01%의 산화 우라늄을 유리에 넣은 유리로, 우라늄이 발견된 이후 만들어온 전통있는 유리다. 우라늄 유리는 자외선을 받으면 사진처럼 초록색으로 변하게 되는 일종의 형광유리이다. 절대 야광 유리가 아니다!
3.4. 위험성
우라늄도 방사선을 내뿜긴 내뿜지만, 실생활에서는 오히려 화강암 지질구조를 가진 지역의 오래된 지하실에서 환기 안하고 살거나, 골초거나, 이온식 화재경보기의 감지기 부분을 먹거나 , , 자체 발광 야광시계[18]나 가스등[19]을 사용하는 것이 방사능을 더 많이 맞는다. 저런 예들을 생각해서 우라늄 하나에만 겁먹을 필요는 없다. 물론 저 우라늄 유리에 가이거 계수관을 갖다 대면 삑삑거리긴 한다.
또한 우라늄도 엄연히 '''중금속'''인 만큼 방사능 뿐만 아니라 중금속 자체로서의 맹독성도 지니고 있다. 만약 우라늄을 떠서 한입 먹어본다면 '''방사능으로 죽기 전에 중금속 중독으로 죽는다'''고 한다.
그리고 미국에선 천연 우라늄을 15파운드(약 6.8kg)까지 개인이 소지하는 건 엄연히 '''합법'''이다. 그냥 당장 아마존닷컴만 들어가도 238U을 구입할 수 있다.구입 링크 상품평란에선 관련 개드립이 넘쳐난다.[20] 대한민국에서도 핵물질 수입요건 확인서를 제출하면 구입할 수 있다.링크 덤으로 천연 우라늄의 방사능은 낮은 축으로, 천연 우라늄 연료를 원자로에 장전하기 전까진 차폐를 안하던가, 엄청 얇은 정도로만 한다. 물론 농축 우라늄의 경우 얄짤없이 차폐정도는 매우 올라간다.[21]
그러나 직접 닿게 된다면, 자연 방사선보다 엄청난 양의 방사선을 피폭받을수 있다. 대충 2.6cm짜리 우라니나이트(피치블렌드)를 손에 올려두면 2mSv/hr를 받는다고 치면, 대한민국 평균 환경방사능이 240 nSv/hr 정도이니 평소의 1만배 정도의 피폭을 받을수 있다. 그렇지만 천연우라늄에서 나오는 방사선은 알파선인지라 먹지만 않으면 크게 상관은 없다. 그리고 사람의 몸 안에도 음식에서 비롯된 우라늄이 소량은 있다. 그러나 다른 원소들과 같이 엄청 듣보잡 수준이니 안심할 수준. 물론 굳이 손에 우라늄을 올려 놓아야 할 이유도 없을 뿐더러 혹시 모르니 안 하는게 더 낫다. 첨언하자면 몸의 다른 부위보다 방사능에 조금이나마 영향을 덜 받는 부위가 손발이니 꼭 신체 근처에 대야 한다면 말단부로 만지자.
구글 이미지검색에 영어로 우라늄을 검색하면 각종 질환에 걸린 사람들의 사진이 나오지만, 방사선에 의한 돌연변이라는 증거는 없다. 다이옥신등의 화학물질 일수도 있고, 자연 발병일 수도 있다. 그리고 간간히 우라늄 유리에 대한 사진들도 보인다.
4. 기타
북한에 우라늄이 4백만 톤 이상, 세계 매장량의 5배(것도 최상급)가 묻혀 있다는 소문이 있다. 하지만 이는 확실한 근거가 없을 뿐더러, 소문의 원 발상지로 추정되는 자료 중 하나는 북한발 선전 자료이다.[22][23] 현재 가행되는 북한 우라늄 광산은 황해북도 평산군에 있다. 평산역 북동쪽 3.5km에 위치한 평산 광산. 최근 잇따른 핵실험으로 인해 우라늄 광산이 고갈되었다는 뉴스도 있다. 또한, 북한의 우라늄을 채굴하는 광부들이 원인 모를 질병에 시달려 수명이 짧은 편이라고 알려져 있다.
캐나다에서는 우라늄 시티란 곳이 있다. 그 지역 근처의 우라늄 광산에서 일하던 사람들이 살던 곳으로, 잘나갈땐 5000여명의 사람들과 더불어 CANDU 고등학교가 있었으나, 1983년 광산이 문닫으면서 현재는 89명밖에 살지 않는다.
한국에는 현재 발견된 우라늄 광산은 없지만 대전광역시~금산군~옥천군 일대에 우라늄 광체가 있는 것이 확인되어 있다. 매장량은 약 24,000톤 정도지만 품위가 낮기 때문에 채산성이 없어 아직 개발하지 않고 있다. 다만 이 때문에 그 근방 지하수에는 미량의 우라늄이 포함되어, 대략 2007년 쯤 카이스트 등의 지하수가 음용 부적합 판정을 받은 적이 있다. 기사 유성온천이 라돈수로 유명한 것도 이 우라늄 광맥 때문.
그러던 2011년부터 2014년까지 호주의 한 채광회사가 대전 및 금산 일대의 우라늄 광체를 개발하여 그 우라늄을 20년 동안 대한민국의 원자력 발전소에 공급할 계획을 세웠었다고 한다. 물론 대전 시민, 금산 및 옥천 군민들이 반대하는건 물론 지자체에서도 불허를 내렸다고. 그도 그럴것이 보통 광산은 주변 지하수 및 생태계를 오염시키는 것은 물론 노동자들의 중금속 중독사례가 많은만큼[24] 도시에서 멀리 떨어진 곳에 광산을 만든다. 하지만 대전이 되었든, 옥천이 되었든간에 근처에 '''250만'''(대전+청주+옥천+금산)에 이르는 인구가 있으니...[25]
원소 기호가 로마자 한 글자로 되어 있는 원소[26] 중 가장 원자 번호가 높은 원소이다. 우라늄보다 원자 번호가 높은 원소들은 모두 두 글자로 되어 있으며, 새로 원소를 발견할 경우 명칭 확정시 원소 기호를 두 글자로 붙여야 한다는 IUPAC의 방침이 있다고 한다.
일반적으로 악티늄족의 저명성은 바닥을 기는데 반해 우라늄은 핵무기에 쓰이는 원소라서 그런지 예외적으로 저명한 원소이며, 비슷한 용도로 사용하는 플루토늄도 우라늄만큼 유명하다.
중국이 자연에서 0가금속우라늄을 발견했다고 한다.
일반인들이 접할 기회가 적다 보니, 각종 매체에서는 녹색 보석이나 어둠 속에서 녹색으로 빛나는 금속 형태로 묘사된다. 실제 우라늄은 납처럼 밋밋하고 투박해 보이는 회색 금속이고, 금속 우라늄이든 우라늄 화합물이든 어둠 속에서 빛나는 일은 없다. 아마 매체에서 묘사되는 우라늄의 모습은 우라늄이 함유된 유리인 우라늄 유리에서 따온 듯 하다.[27] 우라늄 유리는 녹색이고, 야광은 아니지만 자외선을 받으면 형광을 낸다. 물론 빛을 내는 방사성 물질도 있지만, 그 빛을 보고 오래 살 생각은 안 하는게 좋다. 몇몇 우라늄 광석은 실제로 녹색 결정인 것도 있지만(예: Torbernite, Cu(UO2)2(PO4)2 • 8 - 12 H2O) 핵연료와는 거리가 멀다.
이름의 모티브는 천왕성에 해당하는 우라노스에서 따 왔다. 간혹 영어 화자들 중에서 앙글리시같은 순수 게르만 계열 영어 어휘를 선호하는 사람들은 똑같은 포지션의 북유럽 신화의 최초의 거인이자 신인 이미르의 이름을 따서 ''''Ymirstuff''''라고 쓰기도 한다.초대 울트라맨에서 우라늄을 먹고사는 우라늄괴수 가보라가 등장한다.
[1] 온도가 적당히 높으면 공기중에 노출된 것만으로도 불이 붙는다. 사실 반응성이 큰 금속들은 거의 그렇긴 하다.[2] 물론 실제로도 보통 생각하는 것만큼 위험하지는 않다. 특히 천연우라늄이나 핵연료용으로 쓰이는 저농축 우라늄 정도는 가볍게 얘기하면 먹지만 않으면 된다고 할 정도. 자연 상태에서는 알파붕괴를 하며 반감기가 십억년 단위로 무지막지하게 길기 때문에 방사능은 아주 약하다. (알파선은 공기조차도 50cm를 뚫고 나가지 못하며 피부 각질층도 통과하지 못한다) 중금속 치고는 화학독성도 약한 편. 다만 언급했듯이 알파선원이기 때문에 '''먹거나 눈에 갖다대거나 하면 큰일난다.''' 심지어는 높은 밀도덕에 방사능 차페막이나 전차용 장갑제로도 쓰인다...[3] 우라늄산암모늄 종류는 결합수에 따라 레몬색~노란색, 탄산우라닐암모늄은 노란색, 질산우라닐암모늄은 주황색, UO2는 갈색, U3O8은 검은색, UO3는 붉은색, UO4는 약간 노란 기가 있는 흰색, UF4는 녹색, UF6는 흰색, UO2F2는 흰색~회색, 질산우라닐은 연두색이다.[4] 참고로 자연에서의 존재량과 별개로 '우리 주변'에서 가장 흔한 방사성 물질은 칼륨의 방사성 동위원소인 칼륨-40이다. 칼륨 자체가 생명체에 워낙 흔한 원소이기 때문.[5] 정확하게는 저속 중성자에 의한 핵분열을 일으킬 수 있는 핵물질로, 핵분열을 쉽게 제어할 수 있는 동위체이다.[6] 중성자를 최대한 활용할 수 있는 238U 반사구의 존재와 폭축 현상에 의한 초고압 압축이라는 양대 조건이 성립할 때 한정이다.[7] 플루토늄-239와 241도 일반 경수로에서 238U이 중성자를 흡수하여 생성되고 이들도 이용된다. 보통 일반 경수로에서 생산하는 에너지 중에서 플루토늄-239이 발전하는 비중은 34%나 된다. 또한 플루토늄과 235U와 같은 핵분열성 동위체와 토륨과 같이 섞어서 발전할 수 있지만 아직 연구로에서만 쓰이고 있다.[8] 우라늄을 핵무기로 쓰는 건 우라늄의 방사능 때문이 아니다. 이른바 원자력을 이용한다는 것은 인위적인 중성자 연쇄 반응을 일으키는 것을 말하며, 이 반응을 인위적으로 이용할 수 있으려면 우선 해당 원소의 중성자에 의한 분열 반응이 뛰어나야 하고, 둘째로 이 과정에서 소모된 중성자보다 더 많은 중성자가 발생해야 한다. 우라늄-235와 플루토늄-239는 핵분열 반응성이 높고 한번의 반응당 우라늄은 중성자를 2.5개, 플루토늄은 3개 이상 재생산하기 때문에 핵연료로써 이상적이라 거의 이 두 동위원소만 쓰이는 것이다. 따라서, 효율 높은 중성자 연쇄 반응만 이끌어 낼 수 있다면 방사성 동위원소가 아니라도 상관없다. 안정 혹은 준안정원소에서 핵분열을 일으켜내기 힘든 것은 사실이지만, 단순히 방사성 물질이라 해서 핵연료로 쓰이는 것과는 직접적으로 아무 연관이 없다. 실제로 우라늄-235와 플루토늄-239는 반감기도 매우 길 뿐더러 알파 붕괴하기 때문에 방사능이 매우 약한 편에 속하고, 애초에 이 둘의 방사능이 알파 붕괴를 통해 나타나는 이상 중성자 충돌에 의한 핵분열은 기본적으로 자연 상태에서의 방사능과는 아무런 상관이 없다. 이 둘보다 방사성이 강한 동위원소는 널렸지만, 중성자에 의한 핵분열 연쇄반응을 일으키지 못하기 때문에 핵연료로서는 아무 의미가 없다.[9] 전체 우라늄 중의 235U농도, 즉 농축도(enrichment)를 말한다. 경수로에서 사용하는 우라늄의 농축도는 보통 아무리 높아도 30% 이내이며, 한국은 5% 이내를 사용한다.[10] 피치블렌드 각주를 읽어봤겠지만, 피폭문제와 여러가지 문제로 인해서 현재 우라늄 광산에서는 원위치용액채광법이라는 신기술을 도입하여 채광하고 있다. 물론 일반 방식으로 채광하기도 한다. 일반 방식으로 채광하는 경우 라돈 함량을 줄이기 위해 노력해야 한다.[11] 옛날에는 노란색을 띄는 화합물의 형태(UO3나 MDU 등)로 생산되었기 때문에 옐로케이크라고 부른다. 지금은 검은색인 U3O8으로 나온다. 이게 세계 시장에서 최초로 팔리는 형태이다. 채굴한 원광을 정광으로 만드는 과정을 "정련(refinement)"이라 한다.[12] 정광을 금속 우라늄, UF6, 중수로 연료용 UO2 분말 등으로 만드는 과정을 "변환(conversion)"이라 한다.[13] 농축 이후 핵연료를 만드는 과정을 "성형가공(fuel fabrication)"이라고 하며, 특히 그 중 농축우라늄을 경수로용 UO2 분말로 만드는 공정을 "재변환(reconversion)"이라고 한다. 단, 재변환이라는 용어는 거의 한국에서만 사용하며, 다른 나라에서는 보통 UO2 conversion 이라고 한다.[14] 핵연료 재처리까지 돌리면 닫힌 핵연료 주기라고 부르고, 이렇게 굴리는 국가는 거의 없다. 영국같은 유럽국가와 일본등이 끝이다. 미국은 기술이 있지만 열린 연료주기를 시전중이다.[15] 뒤에 사용후 연료 보관이 남지만 이건 잠시 제쳐두자...[16] 물론 전용 발전소가 필요할 정도의 엄청난 전력을 소모하는데다 원심분리기도 각국에서 전략물자로 지정한 특수한걸 써야되긴 하지만...[17] 정확히는 연료봉을 썰어서 그 안에 든걸 (우라늄, 플루토늄, 분열생성물) 녹이는 것. 피복관은 질산에 안녹는다.[18] 구식 자체 발광시계의 경우 라듐을, 현재엔 삼중수소를 사용한다.[19] 가스등에 쓰이는 맨틀엔 열을 받으면 빛을 뿜는 토륨이 들어있다.[20] 대표적으로 44.7억년 전에 사서 지금 열어보았는데 반밖에 안 들어있다던가, 고양이를 사은품으로 줬는데, 죽었는지 살았는지 모르겠다던가, 킬로당 17억 kcal이나 하는 고열량 제품이니 다이어트 하는 사람들은 조심하라던가, 드론으로 배송을 시켯는데 에놀라 게이라는 드론이 와서 떨어뜨리고 왔다던가라는 식...[21] 그래봤자 연료용 우라늄은 거기서 거기다. 임계만 방지하는 정도면 된다.[22] 정확히는 1980년 북한 관영 방송인 조선중앙TV에서 나온 내용이다. #[23] 나머지 하나는 2004년 5월 23일 뉴욕 타임즈 발 기사인데, 이는 CIA에서 경각심을 부여하기 위해 있을 수 있는 가능성이란 가능성은 모조리 긁어 모은 자료를 근거로 하고 있는지라 신빙성이 극히 떨어진다.[24] 그중 희토류(스칸듐, 이트륨, 란타넘족, 악티늄족)는 더욱 심각한데, 캐면서도 '''환경오염 정화비용 때문에 오히려 적자가 나온다'''.[25] 좁은 땅과 많은 인구때문에 2000년대의 우리 나라에서는, 예를 들어 반 세기 전의 영국처럼 원자력 관련 산업을 발전시킬 생각은 전혀 할 수 없다. 완전히 새로운, 시설이 토지를 극히 적게 사용하며, 오염된 부산물을 안 만들거나 통제가능한 양을 극히 적게 내는 신기술이라야 산업화가 가능하다. 핵물질의 용도? 신재생산업의 향방에 따라 원전이 사양길로 갈 것이라고는 하지만 한 편에서는 SF에나 나올 만 한 뒷처리하기 편한 소형 원전을 개발하려는 노력도 여전히 진행 중이다. 40년 전에는 축구장만한 부지를 사용하던 변전소가 요즘은 건물 하나에 들어가는 것처럼, 이 쪽도 변화 중.[26] H - HDT, B, C, N, O, F, P, S, K, V, Y, I, W, U[27] 비슷한 사례로 코발트가 있다.