플루토늄
1. 개요
'''P'''l'''u'''tonium
(영어식 발음: 플루토우니엄)
93번 원소인 넵투늄이 발견되었을 때, 이미 94번 원소로서 그 존재가 예상되었으나 그 당시는 관찰할 수가 없었다. 1940년 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스의 시보그, 맥밀런 등에 의해서, 사이클로트론으로 우라늄 238에 중수소를 충격하여 만든 넵투늄 238의 β붕괴에서 질량수 238인 동위원소가 처음으로 만들어졌다. 후에 우라늄 광석을 조사하다가 우라늄 붕괴 산물에서 나온 극미소량의 자연생성 플루토늄이 발견되었지만, 현재 인류가 갖고 있는 플루토늄 전부 인공적으로 만들어진 것이다.[2] 보통 우라늄 폐연료봉을 PUREX 처리해서 생산된다.
이 신원소는 당시 태양계의 행성이었던 명왕성(Pluto)의 이름을 따서 플루토늄이라고 명명되었다. 이것은 92번 원소인 우라늄과 93번 원소인 넵투늄이 각각 천왕성(Uranus)·해왕성(Neptune)의 이름을 땄기 때문에 그 다음 행성 명왕성을 딴 것.
우연히도 플루토(명왕)는 죽음과 저승의 신 하데스를 의미한다. 플루토늄이 원자폭탄의 주 재료로 유명한 것을 생각해보면 그야말로 적절한 이름.
2. 용도
2.1. 핵무기
인공적으로 만들어진 원소는 많이 있지만 그 중에서도 많이 생산되는 것이 플루토늄이다. 플루토늄은 핵무기로서 이용되기 때문인데, 1945년 미 공군이 나가사키에 투하한 암호명 '''팻 맨'''이라고 이름붙여진 플루토늄 폭탄이 대표적[3]이다. 사실 우라늄으로 만든 핵무기는 초창기의 일부 외에는 굉장히 적은 편이고 현대의 핵무기는 대부분 플루토늄으로 만들어진다.
핵무기에는 239Pu가 쓰이는데 이걸 만드는 방법은 원자로에서 핵분열물질인 235U를 핵분열시키는 것으로 시작한다. 이 핵분열 과정에서 나온 중성자가 핵분열물질이 아닌 238U 에 흡수되어 239U나 넵투늄을 거쳐서 239Pu가 된다. 그 다음에는 239Pu을 화학적으로 분리해낼 수 있다. 또 핵연료로 쓰이는 235U는 천연 우라늄의 0.8%밖에 안되는 소량이지만, 이를 태운 후 재처리를 해서 나오는 239Pu는 태우는데 쓰인 235U보다 훨씬 많은 양이 생성된다. 즉, 태운 우라늄 연료보다 생산되는 플루토늄 연료가 더 많다. 이렇게 핵분열 연료를 증식시키는 방식의 원자로가 바로 증식로이다.
우라늄 농축은 오직 1.2% 남짓의 질량차에만 의존하므로[4] 고도의 기술[5]과 엄청난 비용이 필요한데, 플루토늄은 우라늄과는 화학적 성질이 다른 별개의 원소이므로 분리 및 농축이 간단[6]하다. 게다가 플루토늄의 경우 임계질량도 우라늄보다 작다. 그래서 최근 제조되는 원자폭탄의 대부분은 플루토늄제이다. 플루토늄 농축과 분리를 가리켜 핵연료 재처리라고 부른다. 플루토늄은 우라늄-235보다 효율이 더 좋은 연료[7]이나, 이걸 분리하는 기술을 갖게 된다면, 곧 핵무기 제조가 가능한지라[8] 지금도 머리아픈 물질이다. 현재는 플루토늄과 열화우라늄을 섞은 MOX 연료를 차세대 연료로 밀고 있다. EDF의 경우 라 아그에서 만든 MOX 연료를 일반 경수로에 사용하고 있다.
2.2. 원자력 전지
핵폭탄이나 원자로의 핵연료의 재료로 쓰이는 239Pu 외에 동위원소로 238Pu도 있는데 유용하게 활용된다. 이건 핵폭탄이나 원자로의 연료로는 쓸 수 없지만 붕괴하면서 차폐가 쉬운 알파선만 내고 반감기가 88년 정도로 적당해 장기간 일정한 에너지를 발생시켜야 하는 원자력 전지용으로 최적의 연료이다. 알파선만 차폐하면 되니 납으로 몇 밀리미터만 감싸면 되고, 거기다가 원자력 전지는 에너지 큰 알파선이 좋은 연료이기 때문에 최적의 연료라고 볼 수 있다. 1g당 0.568W의 에너지를 수십 년간 낼 수 있으므로 핸드폰 충전하기 귀찮은 사람들은 이걸 이용한 사실상 영구히 작동하는 핸드폰을 꿈꿀 수 있...지만 굳이 문제점을 하나씩 짚지 않더라도 그런 제품이 나올 리가 없다는 것은 이해할 수 있을 것이다.
NASA의 우주탐사선용 원자력전지도 대부분 플루토늄 238을 연료로 사용해왔는데, 일단 이걸 사용하기 위해선 핵연료 재처리는 기본이고, 동위원소 분리를 해야 한다. 즉, 유지비가 엄청나게 비싸서 미국은 1988년 이후로 생산을 중단했고, 지금은 원자력 전지 2대 만들기에도 좀 부족한 양 밖에 남아있지 않다. 그래서 2011년 발사된 목성 탐사선 주노는 목성 탐사선으로는 최초로 원자력 전지 대신 커다란 태양전지를 사용하고 있다. 그러나 이제 다시 생산라인을 구동하여 년간 1.5 kg을 만들어낼 예정이다. 즉, 앞으로 우주 탐사선엔 다시 이게 들어갈 예정.
3. 가격
그러나 플루토늄을 저렴하다고 생각하면 매우 곤란하다. 한 때 돌아다니던 세계에서 제일 비싼 물질 목록에 이름을 올렸을 정도로 비싼 몸이다. 플루토늄의 가격은 그램 당 4천 달러 정도에 달하며, 핵무기로 이용하기 위한 임계질량의 플루토늄은 3100만 달러(341억 6200만 원[9])에 달한다고 한다. 참고로 금은 그램 당 약 47달러 정도 밖에(...) 되지 않는다.
여담으로 루이스 슬로틴을 날려버리고 만 데몬코어[10]는 30억 엔이다. 한화로 300억 원.
4. 독성
독성이 있긴 하지만 폴로늄이나 비소, 사이안화수소에 비하면 매우 약한 편이다. 방사성으로 인해 체내에 들어갈 때 독성을 띠며, 특히 폐에 들어갈 때 암 발생 확률을 상당히 높아지는 것으로 밝혀졌다. 그러나 아직까지는 플루토늄으로 인한 사망 사례(임계사고 제외)는 보고되지 않았다.[11] 플루토늄의 동위원소는 페이스메이커의 전력원으로 사용되기도 하는데, 50~300명 정도의 사람들이 플루토늄을 몸에 넣고 잘 살아있다.[12] 플루토늄 산화물도 마찬가지. 당연히 방사능은 위험하지만 화학적 독성은 그렇게 강하지는 않고,[13] 먹었으면 그나마도 잘 배출된다.
'앗!' 시리즈에서 나온 소리 때문에 '플루토늄의 독성이 킹왕짱이다!'로 알고 있는 사람들도 많은 모양인데 딱히 그렇지는 않은 듯. 참고 자료에서 '악성종기배아'로 명명된 것은 보톨리누스균에 한정. 헌데 정작 사고사례를 보면 암으로 죽은 사람은 거의 없다(?).
5. 취급주의
그러나 플루토늄의 취급에서 주의할 점이 하나 있는데, '''절대로 플루토늄을 한 군데에 많이 모아두면 안 되는 것이다.''' 핵분열성(fissile) 물질이면 다 그러듯, 플루토늄을 임계질량 이상으로 많이 모아두면 제어할 수 없는 핵 연쇄반응을 일으키기 때문이다. 물론 우라늄-235도 마찬가지. 이것을 '임계사고'라고 하며, 이 때문에 죽은 사람이 한둘이 아니다. 이와 같은 방사선, 열파 등의 고열 에너지와 위험물질이 뿜뿜 터져나오는 것을 보고 일본인, 미국인들은 이를 '''데몬코어''', '''악마 힘의 근원'''이라고 한다. '도카이 촌 방사능 누출사고' 문서를 보면 알겠지만 최우선은 연쇄반응을 멈추는 것이다.
원자력 사고 중에는 이런 경우가 꽤 있다. 맨해튼 계획에 참가한 과학자들 중 루이스 슬로틴은 임계질량 미만으로 나뉘어 있던 플루토늄 덩어리가 사고로 결합된 바람에 21시버트에 피폭하였고, 해리 K. 더그힐란 2세는 임계량 미만의 플루토늄에 실수로 떨어진 벽돌이 중성자 반사재 역할을 한 바람에 연쇄반응을 일으켜 5.1시버트에 피폭했다. 두 사람 모두 오래 버티지 못하고 각각 9일, 25일 만에 사망했다. 파인만 자서전에서 비슷한 이야기가 나오는데, 작업자들이 놀라워했을 정도로 그것에 무지해서 '''푸르스름한 빛'''을 내며 이야기가 나온다.
1968년 12월 10일의 소련 마야크 재처리 공장[14]에서도 큰 사고가 났는데, 용기가 작다고 생각한 재처리 공장 직원들이 일을 빠르게 처리하고자 60 L짜리 용기를 가져왔는데 붓다 보니 플루토늄이 지나치게 모이면서 '''핵 연쇄반응'''이 시작되어 빛과 열이 났다. 그걸 본 직원들은 깜짝 놀라 통을 떨어뜨렸고, 바닥에 엎질러진 플루토늄을 뒤로 한 채로 재빨리 방에서 탈출했다. 곧 모든 직원들이 지하로 대피했으나, 관리자는 보조 관리자의 주장으로 수습을 위해 보조 관리자를 비롯한 몇 사람을 데리고 건물로 돌아갔고, 방사능 수치가 계속 올라가 관리자가 말렸으나 보조 관리자는 그를 속이고 플루토늄이 가득한 방으로 멋대로 들어가 플루토늄 용액을 다시 담아서 배수구에 그대로 버렸다. 그러자 '''더 큰 연쇄반응이 일어났다.''' A는 치사량의 4배에 달한 방사능 24.5시버트(2450 rem)에 피폭하고 빠져나왔고, 1달 뒤에 세상을 떴는데, 1달이나 살아남은 것은 거의 기적에 가까운 수준이다. 거기서 일하던 근로자 1명은 700 rem(7시버트)에 피폭했지만 1999년에도 살았으니 그럭저럭 오래 산 셈이다. 다른 사람들은 멀쩡했다. 그런 바보가 이 세상 어디에 있을까 싶겠지만 현실은 언제나 상상보다 놀라운 법이다. 그는 1994년에 다윈상을 받았다. 1994년 다윈상 Absolutely radiant와 사건 요약을 참조하자. 배수구에 흐르는 물은 좋은 중성자 감속재이므로 물이 있으면 임계량이 줄어들어 연쇄반응이 더더욱 활발하게 일어나니 배수구에 버리면 안 된다.
6. 이름
94번 원소는 그 발견자인 글렌 시보그에게 그 이름을 붙이는 영광이 돌아갔는데, 1942년 당시 갓 발견된 행성이었던 명왕성, 즉 플루토(1941년에 발견)의 이름을 따 플루토늄이라 이름짓기로 하였다. 마침 바로 전 원소인 93번 원소가 해왕성의 이름을 따서 넵투늄으로 명명되었기도 했고.
그런데, 시보그는 이전에도 이미 수많은 물질을 발견했던지라[15], 이번엔 개그를 한번 해보기로 마음먹고 플루토늄의 원소기호를 "Pu"라고 붙였다.
원소기호는 대개 그 원소의 이름(대개 라틴명)의 첫 두글자를 사용하도록 되어 있다.(물론 Mg나 Pt처럼 예외도 있지만) 그런데 시보그는 플루토늄의 원소기호를 Pl(피-엘)이 아니라 Pu(피-유)로 써서 명명위원회에 제출하였다. 피-유는 영어에서 뭔가 고약한 냄새가 날 때 코를 가리며 내뱉는 말이다.("Pee-ewe!") 당연히 위원회에서 퇴짜를 놓을 것이라 생각하고 이런 썰렁한 개그를 해본 것. 그런데 위원회는 '''글렌 시보그가 개그라는 걸 할 줄 아는 인물이라곤 상상도 하지 못했기에''', 곧바로 승인을 시켜버렸다.
당연히 퇴짜맞을 줄 알았던 원소기호가 그냥 통과되어 전세계 주기율표에 떡하니 기재되자, 시보그는 남들에게 '그건 개그였습니다'라고 말도 못 하는 처지가 되어버렸고(...) , 로렌스 버클리 연구소의 동료 두 명과 자신의 아들에게만 이 사실을 알려 주었다. 그리고 이들도 아주 최근에야 세상에 이 사실을 밝혔다. 이들이 아니었다면 우리는 이 원소의 이름이 사실은 말장난이었다는 것을 상상조차 하지 못했을 것이다. #
7. 기밀
94번 원소가 처음 발견되었을 때 이 원소는 최고 기밀로 취급되어 그 이름을 보고서나 연구기록에 남기는 것이 금지되었다. 플루토늄이란 이름은 기밀이 해금된 뒤에 94번 원소가 학계에 발표되면서 붙여진 이름이다. 때문에 당시 보고서나 연구 자료를 보면 94번 원소를 전부 "구리"라고 표기해 놨다. 한편 진짜 구리는 "진짜배기'' 구리(honest-to-God copper)라고 표시하도록 하였다고. 이로인해 이런 보고서를 읽고는 진짜로 구리를 가지고 핵무기를 만들 수 있는 줄 알고 폐건물 등에서 구리선을 뜯어 모으는 바보멍청이들도 많았다고 한다.(...)
8. 여담
스티브 잭슨 게임즈의 보드게임인 먼치킨 오리지날 팩에 존재하는 '''진정한 먼치킨 최강 몬스터'''가 바로 레벨 20의 '''플루토늄 드래곤'''이다.
카드게임 먼치킨을 RPG로 만든 룰북도 존재하는데 여기서 나오는 플루토늄 드래곤은 처음 태어났을 때 HP가 무려 평균 5,504에 힘 수치가 55. 근데 2만 4천살을 먹을 때마다 반감기를 겪어 덩치와 모든 게임상의 수치가 절반으로 약해져서 241,000살을 먹으면 거의 이녀석을 못 이길 존재가 없을 정도가 되어버린다[16]
MDK 시리즈의 등장인물인 닥터 호킨스는 이걸 마시고 헐크같은 근육괴물로 일정시간동안 변신한다. 여기서의 플루토늄은 녹색 액체로 나오지만 실제 플루토늄은 상온에서는 고체다.
호머 심슨은 플루토늄 폐기물을 퍼먹어도 안 죽었다. 회사에서 벌로 폐기물 다 먹였는데 그냥 잘 먹었다. 당연히 안 죽었다. 11기에서는 토마토와 담배씨를 섞어 뿌린 밭에 플루토늄을 가득 뿌렸다.[17] 그 덕에 겉은 토마토, 속은 담배인 이종 과일이 자랐는데, 이를 토마코라고 이름붙여 개당 1달러에 팔았다. 맛은 끔찍했지만 담배 특유의 중독성 때문에 초대박이 났다.
Nuclear Throne에서는 주인공 돌연변이들에게 경험치의 역할을 하며 이것을 일정치 모아 캐릭터의 레벨이 오를 때마다 새로운 돌연변이를 얻어 강해진다.
던전 크롤에는 이것으로 만든 검이 있다.
일본 열도에서는 사이안 화합물보다는 덜 위험하다고 한다...
백 투 더 퓨처 드로리안 타임머신에 이용되던 주 연료였다. 시간 이동에 필요한 1.21 기가와트의 전력을 만드는데 필요하다. 그런데 원자로의 원리가 어떻게 되는지 임계질량에 한참 못 미치는 조그마한 막대 형태로 이용하며, 막대가 1회용으로 한번 시간 이동을 할 때마다 새 것이 필요하다. 이후 박사가 2015년의 미래에서 핵융합 장비를 장착하여 더 이상 필요가 없어진다.
릭 앤 모티에서는 명왕성(플루토)를 이루는 물질이라고 한다.
별의 커비/애니메이션에서는 훔이 이것을 담은 용기를 쇠망치로 개발살내기도 했다. 애니라서 가능한 얘기지, 실제였다면 피폭 크리.
스카웃의 봉크 원자맛 음료 중 블루팀의 것은 블루토늄 베리맛이다. 참고로 레드팀 건 체리 핵분열맛.
미션 임파서블: 폴아웃에서 매우 중요하게 등장한다.
스타크래프트 2의 워 체스트 스킨으로 등장하는 티라도 토르의 경우 장갑을 이것으로 코팅을 했다고 한다. -
블룬스 타워 디펜스 시리즈에서는 적진에서 쳐들어온 풍선을 원료로 삼아 블룬토니움이라는 연료를 만들어낸다고 한다. 당연히 플루토늄이 모티브다. 고무 성분은 당연히 들어 있겠지만 나머지 성분은 불명.
[1] 1945년 8월 9일 나가사키에 떨어진 원폭의 핵심재료로 들어갔다.[2] 지질조사 등에서 우라늄 광석에 포함된 극미량(trace amount)의 플루토늄이 발견된 사례는 있으나 자연 속에서 유의미한 양의 플루토늄이 발견된 적은 인류 역사상 단 한번도 없다. 태양계에서 플루토늄은 사실상 인류가 핵실험을 시작하기 매우 오랜 시간 전에 전부 붕괴했을 것으로 추정된다.[3] 238U(우라늄 238)도 들어가긴 들어갔지만, 중성자 반사재 역할 밖에 되지 않았다.[4] 핵분열성인 소량의 우라늄 235를 대부분의 우라늄 238로부터 분리하는 것인데, 동위원소간이므로 이 둘은 화학적으로 동일하다. 게다가 238U에 비해 그 양도 턱없이 적기 때문에 그만큼 더 비싸진다.[5] 원심분리법, 기체확산법, 화학교환법, 원자레이저법 및 분자레이저법 등이 있는데, 현재 제일 많이 써먹는건 기체확산법과 원심분리기법 등이 있다.[6] 우라늄보단 쉽지만, 농축방법은 꽤 복잡하다. 제일 많이 알려지고 많이 써먹는 방법으론 PUREX가 있다.[7] 가채량 계산시 '''3,600년'''동안 쓸 수 있다.[8] 일본을 제외하고 현재 재처리 공장이 있는 나라는 모두 핵무기 보유 국가이다.[9] 2021년2월16일 오후8시00분 기준[10] 베릴륨 반사재를 반구형으로 만들고 속에 플루토늄 덩어리를 채운 것. 이 반구가 2개가 있어야 데몬코어가 된다. 반구의 크기는 서로 다르며, 작은 반구는 큰 반구와 비교하여 약 2~3 cm정도 반지름이 작다.[11] 가정집만 해도 락스를 사용하다 염소가스에 질식하는 사례가 꽤나 있고, 또한 옛날에는 가난해서 도시가스보다 저렴한 연탄으로 난방하다 일산화탄소에 의하는 사고도 많이 났다. 그라목손이나 청산가리를 먹어서 사고나 독살로 죽은 사람도 있다. 또한 많은 사람들이 염산테러를 당해서 죽거나 불구되는 사례도 상당하고, 생각보다 적지 않은 사람들이 염산테러협박을 받거나 위협을 당한 적도 있을 것이다. 굳이 화학물질이 아니면 칼부림이나 교통사고, 추락사, 감전사, 총기 사고, 개물림 사고로 인해 죽은 사람들의 숫자도 상당할 것이다. 그러나 플루토늄 때문에 생명의 위험을 받거나 죽은 사람은 어디에도 없었다.[12] 플루토늄 238의 방사선은 2.5 mm정도의 납판이면 차폐할 수 있다.[13] 폴로늄같은 맹독은 아니지만, 우라늄에 비하면 방사능도 강하고 화학적 독성도 좀 있다. 화학적 독성은 아무래도 중금속이다 보니 당연한 얘기일지도. 그래서 우라늄 취급 공장과는 다르게 플루토늄 취급 공장에는 핫셀을 설치해 사람이 플루토늄을 직접 만지지 못하게 한다.[14] '마약'이 아니라 '마야크'이다. 1957년에 키시팀 사고를 내던 곳이다. 해당 문서 참고.[15] 시보그가 이르는 로렌스 버클리 연구소에서 발견한 물질은 플루토늄과 93번 원소인 넵투늄 외에도 95 아메리슘, 96 퀴륨, 97 버클륨, 98 캘리포늄, 99 아인슈타이늄, 100 페르뮴, 101 멘델레븀, 102 노벨륨, 106 시보귬 등이 있다. 106번 원소인 시보귬은 물론 글렌 시보그의 이름을 딴 것으로, 시보그 사후가 아니라 그가 살아있을 때 붙은 이름이다.[16] (1/2)^10이면 스텟이 1024분의 1이다(...).[17] 더군다나 플루토늄이 막 도착했을 때 '''이빨에다 문질렀다'''.