미국 28년만에 플루토늄 생산 시작

플루토늄 238 펠렛의 모양이며 빨갛게 달아 오른 모습입니다.

1988년 마지막으로 원자번호 94번인 플루토늄을 생산한 이후로 생산을 중지했던 미국이 28년만에 다시 플루토늄을 생산하기 시작했습니다. 이번에 생산된 양은 50 g정도로 크기는 골프공 크기입니다. 현재 이렇게 생산된 플루토늄을 뉴멕시코주 로스 알라모스 국립연구소로 보내 플루토늄 함량을 분석하고 있습니다.

새로운 핵무기 생산을 중지한 미국은 1988년까지 만들었던 플루토늄을 이용 NASA의 심우주 프로젝트용 위성의 전기 생산에 필요한 핵전지에 사용했으나 이제는 비축분이 바닥을 들어내 2020년도 중반쯤에는 더 이상 핵전지의 원료인 플루토늄이 없어 목성보다 먼 거리에 있는 위성 탐사에 커다란 장애가 됐었습니다.

그동안 모자란 부분은 전략무기 감축협정에 따라 폐기된 핵무기로부터 나오는 플루토늄을 러시아로부터 수입해 썼으나 이도 여의치 않게 되었습니다.

이번에 미국이 시도하는 플루토늄 제조 방법은 기존의 것고 많이 다른데, 일단 우라늄으로부터 만든 원자번호 93번인 넵튜늄(질량수 237)에 중성자를 쏴서 플루토늄 238을 만드는 법입니다. 참고로 원자폭탄에 쓰이는 플루토늄은 질량수 239짜리로 이번에 만드는 238로는 핵무기를 만들 수 없습니다.

넵튜늄 237의 중성자 수와 플루토늄 238의 중성자수는 같습니다. 넵튜늄 237에 중성자를 쏘면 중성자 하나는 베타 붕괴를 하면서 전자를 하나 방출하고 양성자로 변합니다. 그러면서 원자번호가 하나 커지게 되고 마침내 플루토늄 238이 만들어집니다.

실제로는 넵튜늄 237과 알루미늄을 섞은 후 가루로 만든 후 펠렛으로 만들고 이를 원자로 속에 넣고 중성자를 쏘아 플루토늄을 만듭니다.

이리듐으로 포장된 방사성 동위원소인 플루토늄 238은 자체 붕괴하면서 열을 내게 되고 이 열을 열전쌍을 이용 전기를 생산하게 됩니다. 또한 이때 나오는 열을 이용해 절대온도 0에 가까운 낮은 온도에 노출된 인공위성의 주요 전자 부품의 온도를 상온으로 유지하는데 사용합니다.

현재 미국 에너지부에는 약 35 kg의 플루토늄이 남아 있지만 과거에 만들어 논 것이라 시간이 지남에 따라 그 성능이 많이 감소한 상태입니다. 따라서 이번에 만드는 플루토늄 238과 기존의 만들어 논 플루토늄 238을 섞어 핵전지에 사용할 예정입니다.

현재 실험 단계로 2019년 이후로 1년에 약 400 g의 플루토늄을 생산할 수 있게 되었으며 생산량을 늘려 1년에 1.5 kg을 생산할 목표를 가지고 있습니다.

태양으로부터 멀리 떨어진 목성 이후의 행성 탐사에는 태양빛이 약해 충분한 전기를 생산하기 어려워 태양전지 대신에 핵전지를 위성에 사용합니다.

플루토늄 238의 붕괴를 이용해 전기와 열을 만드는 핵전지를 사용한 인공위성은 목성 탐사선인 갈릴레오와 토성 탐사선인 카시니, 최근에 명왕성을 탐사한 뉴 호라이즌, 그리고 보이저와 파이오니어도 모두 이 핵전지를 이용한 위성들입니다. 또한 화성 탐사선도 태양전지를 사용하지 않은 위성이 있는데 최초로 화성에 착륙한 바이킹과 최근에는 큐어리어시티 마스 로버가 있으며 2020 마스 로버로 명명된 다음번 화성 탐사선에도 핵전지가 장착될 예정입니다.

2020 마스 로버에 사용할 핵전지에 들어가는 플루토늄의 양은 약 4 kg으로 현재 보유분으로 제작 가능니다.