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원자로 냉각에 필수적인 물질 ‘붕소(Boron)’

  • 2015.06.01.
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붕소(Boron)

 

여러분은 붕소에 대해서 들어보신 적이 있으신가요?
어쩌면 고등학교 화학 시간에 한 번쯤은 들어봤을만한 원소기호인데요.

붕소가 들어있는 대표적 화합물은 붕사붕산입니다.
붕사는 오래전부터 도자기 유약의 재료로 사용되어 왔으며, 채소를 재배하는 농부들은 가끔 농토에 비료로 뿌리기도 합니다.
붕산은 눈 세정제로 우리와 친숙합니다.

붕소 화합물들은 안전한 원자력 발전과 반도체 제조에도 사용되고 있습니다.
오늘은 붕소가 어떤 원소이고, 붕소의 화합물들은 어떤 것들이 있으며, 어떻게 만들어져 어디에 사용되고 있는지 알아 보록 하겠습니다.

 

붕소(Boron)

 

◆ 원자번호 5번과 붕소

먼저 붕소에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 붕소 원자번호 5번의 원소로 원소기호는 B입니다.

붕소는 지구에서는 비교적 흔하지 않은 원소이며, 터키에 전 세계 매장량의 72%가 묻혀있습니다.

또한 식물의 필수 영양소이며, 붕소의 결정형은 우리가 흔히 알고 있는 단단함의 대명사 ‘다이아몬드‘ 다음으로 단단합니다.

이러한 붕소 화합물들은 주로 붕사에서 만들어지는데, 도자기 유약, 내열유리 제조, 살충제, 융제, 세제 첨가제, 반도체 등 다양한 용도로 사용하게 됩니다.

또한 핵반응에서 열중성자 조절제와 방사선 차폐물로 이용되고 있으며, 강화 유리 섬유, 항공 우주 산업의 경량 구조체 등의 제조에도 붕소 화합물들이 사용됩니다.

 

◆ 붕소의 발견과 명명

티베트 서부 사막에서 생산된 붕사는 중국에서 오래전부터 도자기 유약의 재료로 사용되었습니다.
붕사는 아랍을 거쳐 유럽으로 전해졌으며, 야금할 때 광물을 녹이는 융제로도 사용되었습니다.

원소 상태의 붕소는 1808년에 영국의 화학자 데이비, 그리고 프랑스의 게이-뤼삭과 테나르가 붕사와 황산의 반응을 통해 붕산(H3BO3)을 얻은 후, 이를 포타슘(K)과 반응시켜 얻었다 붕소를 얻을 수 있었습니다. 그러나 이때 얻게 된 붕소는 상당히 불순한 것이었습니다.

그 이후 1892년 프랑스의 화학자 무아상이 산화붕소와 마그네슘을 반응시켜 95~98% 순도의 붕소를 얻었을 수 있었으며, 순수한 붕소는 1909년에야 얻어게 되었습니다.

붕소의 영문 이름 ‘boron‘은 붕사의 아랍어인 ‘buraq’ 또는 페르시아어인 ‘burah’에서 따오게 되었습니다.

영국 화학자 데이비는 붕소를 보라슘(boracium)이라 불렀는데, 뒤에 베르셀리우스가 탄소(carbon)와 성질이 비슷하다는 이유로 ‘boron’이라 명명하였습니다.

 

붕소(Boron)

 

◆ 붕소와 원자력

붕소는 원자로 냉각에 필수적인 물질로, 핵분열의 감속재로 쓰이고 있습니다.
원자력발전소에서 중성자의 수를 조절하는 방법은 중성자를 잘 흡수하는 물질을 이용해야 합니다.

대표적인 것이 바로 붕소인데 이를 긴 막대 모양을 지닌 제어봉으로 만들어 핵연료 사이에 인출 또는 삽입하거나, 물에 녹인 붕산수의 형태로 냉각수에 희석시켜서 핵연료 내 중성자 수를 제어합니다.

물을 뿌리면 불이 꺼지는 것처럼 원자로 안에 붕소로 만든 제어봉을 넣으면 중성자가 급격히 줄어 핵분열을 멈출 수 있는데요.

이를 이용해 원자로 운전을 시작할 때는 핵연료에서 제어봉을 빼 핵분열을 시작하고, 긴급 상황이나 정비 시에는 제어봉을 핵연료 사이에 넣어 원자로를 정지시킵니다.

정상운전 중에는 냉각수에 녹아 있는 붕소의 농도를 조절하여 중성자 수를 제어합니다.

고장이나 자연재해 등으로 원자로를 긴급히 정지시켜야 할 상황이 발생할 때에는 제어봉을 핵연료에 넣고 냉각재에 고농도 붕산수를 주입해 중성자의 수를 감소시킵니다.

제어봉 삽입. 인출 장치는 핵연료 상부에 있으며 만일 전원이 끊겨 작동이 불가능할 경우 제어봉이 핵연료로 떨어지면서 원자로가 자동 정지하도록 설계되어 있습니다.

 

오늘은 지구 표면에 0.001%로 밖에 존재하고 있지 않은 붕소에 대해서 알아보았는데요.

오래전부터 도자기 유약, 살충제부터 원자력발전의 핵분열 감속재까지…우리가 일상생활에서 붕소를 직접 보는 일은 드물지만 생활 속에서 다양한 붕소의 화합물을 사용하고 있습니다.

다음 시간에는 원소기호 U, 원자번호 92 인 ‘우라늄 편’으로 찾아오겠습니다.

 

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