플루토늄 Pu

발견의 역사

플루토늄은 1940년 12월 미국 버클리에서 글렌 시보그, 에드윈 맥밀런, 조지프 케네디, 아서 월이 처음 만들었다. 이들은 사이클로트론으로 가속한 중양성자를 우라늄-238에 쏘아 넵투늄-238을 얻었고, 이것이 베타 붕괴해 생긴 94번 원소를 1941년 2월 화학적으로 확인했다. 첫 동위원소는 플루토늄-238이었다.

곧이어 연구진은 플루토늄-239가 우라늄-235처럼 느린 중성자로 쉽게 분열한다는 사실을 밝혔다. 제2차 세계대전 중이었기 때문에 결과는 비밀에 부쳐졌고, 논문은 전쟁이 끝난 1946년에야 공개되었다. 맨해튼 계획은 워싱턴주 핸퍼드에 대형 원자로를 지어 우라늄에서 플루토늄을 대량 생산했다.

1945년 7월 뉴멕시코의 트리니티 실험에서 사용된 폭탄과, 같은 해 8월 나가사키에 투하된 원자폭탄의 핵심 재료가 플루토늄-239였다. 냉전 시기 미국과 소련은 수백 톤의 플루토늄을 생산했고, 그 관리와 처분은 지금도 국제적인 과제로 남아 있다.

이름의 유래

넵투늄(해왕성)의 다음 원소였으므로 당시 태양계의 가장 바깥 행성이던 명왕성(Pluto)에서 이름을 땄다. 명왕성은 로마 신화 저승의 신 플루토의 이름이다. 시보그는 처음에 '플루튬'도 고려했으나 플루토늄이 더 부르기 좋다고 판단했다. 이름대로라면 기호는 Pl이 자연스럽지만, 시보그는 영어권에서 역겨운 냄새를 가리킬 때 쓰는 감탄사 'pee-yoo'를 떠올리게 하는 Pu를 장난스럽게 제안했고, 뜻밖에 그대로 채택되었다.

주요 용도

• 원자력 발전: 원자로 속에서는 우라늄-238이 플루토늄-239로 바뀌어 스스로 연료 역할을 한다. 사용후핵연료에서 분리한 플루토늄을 우라늄과 섞은 MOX 연료를 쓰는 나라도 있다.
• 우주 탐사 전원: 플루토늄-238은 붕괴열이 크고 반감기가 적당해, 보이저·카시니·큐리오시티·퍼서비어런스 같은 탐사선의 원자력 전지에 쓰인다.
• 핵무기: 플루토늄-239는 핵무기의 주요 핵분열 물질이다. 이 때문에 국제원자력기구가 전 세계 플루토늄의 양과 이동을 엄격히 감시한다.
• 과거의 의료기기: 1970년대에는 플루토늄-238을 전원으로 쓴 심장 박동기가 이식된 적도 있다.

동위원소

플루토늄에는 안정 동위원소가 없다. 가장 중요한 플루토늄-239는 반감기가 약 2만 4,100년이다. 플루토늄-238은 약 88년으로 수명이 짧은 만큼 열을 많이 내 전원으로 쓰인다. 플루토늄-240(약 6,560년)은 자발 핵분열을 잘 일으켜 무기급과 원자로급 플루토늄을 가르는 기준이 된다. 플루토늄-241(약 14년)은 붕괴해 아메리슘-241이 된다. 가장 오래 사는 동위원소는 반감기 약 8,000만 년의 플루토늄-244다.

생활 속 원소

일반인이 플루토늄을 직접 접할 일은 없지만, 1945~1980년의 대기권 핵실험 낙진 때문에 전 세계 토양에는 극미량의 플루토늄이 퍼져 있다. 플루토늄이 내는 알파선은 종이 한 장에도 막히므로 몸 밖에서는 위험이 작다. 그러나 미세한 입자를 들이마시면 폐와 뼈, 간에 오래 머물며 암 위험을 높이므로 취급 시설에서는 흡입 방지가 가장 중요한 안전 수칙이다. 또 일정량 이상이 한곳에 모이면 임계 사고가 날 수 있어 보관 방식도 엄격히 규제된다.