넵투늄 Np

발견의 역사

1930년대 엔리코 페르미 연구진은 우라늄에 중성자를 쏘아 93번 원소를 만들었다고 생각했지만, 실제로 생긴 것은 대부분 핵분열 생성물이었다. 이 오해는 1938년 핵분열이 발견되면서 풀렸다.

진짜 93번 원소는 1940년 미국 버클리 방사선연구소의 에드윈 맥밀런과 필립 에이벌슨이 확인했다. 두 사람은 사이클로트론에서 나온 중성자를 우라늄에 쪼여, 우라늄-239가 베타 붕괴하며 반감기 약 2.4일의 새로운 방사성 물질로 바뀌는 것을 관찰했다. 이 물질은 핵분열 생성물과도, 우라늄과도 화학적 성질이 달랐다. 이것이 넵투늄-239였고, 인류가 처음으로 주기율표를 우라늄 너머로 확장한 순간이었다.

맥밀런은 이어 94번 원소 연구도 시작했으나 전쟁 연구로 자리를 옮겼고, 그 일은 글렌 시보그 연구진이 이어받았다. 맥밀런과 시보그는 초우라늄 원소 연구로 1951년 노벨 화학상을 함께 받았다. 넵투늄은 원자로에서 대량으로 생기는 원소가 되었고, 1950년대 이후 수 킬로그램 단위의 넵투늄-237이 분리되었다.

이름의 유래

우라늄이 천왕성(Uranus)에서 이름을 땄으므로, 그 다음 원소는 태양계에서 천왕성 바로 바깥의 행성 해왕성(Neptune)의 이름을 받았다. 해왕성은 로마 신화의 바다의 신 넵투누스에서 온 이름이다. 기호 Np는 이름의 첫 두 글자다. 이 작명 방식은 다음 원소 플루토늄(명왕성)으로 이어졌다.

주요 용도

• 플루토늄-238 생산: 넵투늄-237에 원자로에서 중성자를 쪼이면 넵투늄-238을 거쳐 플루토늄-238이 된다. 플루토늄-238은 태양빛이 약한 먼 우주로 가는 탐사선의 원자력 전지(방사성 동위원소 열전 발전기)에 쓰인다.
• 중성자 검출: 넵투늄-237은 빠른 중성자에 의해 분열하는 성질이 있어 고에너지 중성자를 측정하는 검출기에 쓰인다.
• 핵연료 주기 연구: 사용후핵연료 속 넵투늄은 장기 방사성 폐기물의 주요 성분이어서, 이를 분리하거나 원자로에서 태워 없애는 기술이 연구되고 있다.

동위원소

넵투늄에는 안정 동위원소가 없다. 가장 오래 사는 넵투늄-237은 반감기가 약 214만 년이다. 지구 나이에 비하면 짧아서 태초에 있던 넵투늄은 모두 사라졌고, 넵투늄-237에서 시작하는 붕괴 계열(넵투늄 계열)도 자연에서는 거의 끊겼다. 처음 발견된 넵투늄-239는 반감기가 약 2.4일이며 베타 붕괴해 플루토늄-239가 된다. 원자로에서 플루토늄이 만들어지는 경로가 바로 이것이다. 우라늄 광석 안에서도 자연 중성자 때문에 극미량의 넵투늄이 계속 생겨난다.

생활 속 원소

넵투늄은 일상에서 접할 일이 없는 원소다. 지구에 있는 넵투늄의 대부분은 원자로와 과거의 대기권 핵실험에서 만들어진 것이다. 알파선을 내는 방사성 물질이라 몸속에 들어가면 뼈와 간에 쌓일 수 있으므로 전문 시설에서만 다룬다. 금속 넵투늄의 밀도는 약 20 g/cm³로 알려진 금속 가운데 매우 무거운 편에 속한다.