지르코늄 / Zr / 원자번호 40 / 지르코늄(zirconium) 대해서 알아보자!

 

지르코늄, Zr이란? 

지르코늄은 화학 원소로 기호는 Zr, 원자 번호는 40 입니다. 겉 모습의 형태는 광택이 있는 회백색의 단단한 전이 금속으로 타이타늄과 비슷합니다. 지르코늄은 주로 지르콘으로 산출되며 부식에 대한 저항이 강한 것이 특징입니다. 부식에 강하고 중성자 단면적이 작은 특징 때문에 원자로를 만드는 데 주로 쓰입니다.산화 지르코늄(ZrO2)은 모조 다이아몬드, 모조 치아, 광커넥터 페룰로도 사용됩니다. 자연에는 총 5가지의 동위 원소가 존재하는데 이 중 3가지는 안정하며, 지르코늄 화합물은 생물학적 역할이 없는 것으로 알려져 있습니다.

 

원자번호40, 지르코늄의 용도는?

 

▶ 산화 지르코늄은 모조 다이아몬드에서 부터 각종 보석, 모조 치아, 광커넥터 페룰 등으로 사용됩니다. 

 

▶ 병원이나 가속물리학 실험실 등에서 사용하는 양전자 방출 단층촬영(PET)은 지르코늄의 방사성 동위 원소인 89Zr이 양전자를 방출한다는 점을 이용한 것입니다.

 

▶지르코늄 합금이나 산화물이 열에 대한 저항성을 이용해 우주선의 부품이나 연마재에 사용하기도 합니다. 또, 직접 고온에 노출되는 연소실, 날개, 엔진 등에는 얇은 세라믹 층을 씌워야 하는데 여기에도 지르코늄 또는 이트륨 화합물이 사용됩니다.

 

▶ 전 세계 지르코늄 생산량의 1% 정도는 핵연료를 생산할 때 피복에 사용됩니다. 지르코늄 합금은 부식에 강하고 중성자 단면적이 작아 이러한 용도로 적합합니다. 하지만 900도 이상의 고온에서 물과 반응해 수소 기체를 발생시키는 단점이 있기 때문에 수소폭발의 위험이 존재합니다. 1979년 미국 스리마일섬 원자력 발전소 사고에서도 이러한 수소폭발로 인해 자칫 대형사고가 발생할 뻔 했으며, 2011년 3월 11일 동일본 대지진으로 인해 손상된 일본의 후쿠시마 제1 원자력 발전소의 1,2,3호기에서는 이러한 수소폭발로 인해 세슘-137등이 누출되기도 했습니다. 이런 폭발을 막기 위해서 대부분의 가압수형 경수로에서는 발생한 수소를 실온에서 빠르게 연소시켜 물로 바꾸는 장치를 보유하고 있습니다.

 

 

 

지르코늄이 인체에 미치는 영향?

 

지르코늄은 생명체 내에서 알려진 역할은 없으나 인체에는 평균적으로 250mg 정도 포함돼 있습니다. 또 각종 식품에도 소량 함유되어 있다고 합니다. 일상에서는 일부 제품이나 수돗물 정화에도 사용되기도 합니다. 한편, 단시간 내에 지르코늄 분말에 다량 노출되는 것은 눈, 피부, 호흡기에 자극을 줄 수 있으며 진폐증을 유발할 수 있기 때문에 주의가 필요합니다. 하지만 산업 현장에서는 지르코늄으로 인해 재해가 발생하는 경우는 드물거나 잘 알려지지 않았기 때문에 건강 위험 요소로 분류되지는 않습니다.

 

지크코늄의 생산량, 매장량, 가격은?

미국의 생산량을 제외한 ZrO2는 127만 톤이며, 이중 호주가 55만 톤, 남아프리카 공화국이 40만 톤, 중국이 14만 톤, 인도네시아가 65,000톤을 생산한 것으로 추정됩니다. 정밀 세라믹 제품과 원자력 발전의 수요 확대로, 이 양이 2017년에는 280만 톤으로 정도로 추정합니다. 2007년에 추정한 광석 매장량은 ZrO2로 약 7,200만 톤이며, 이중 호주에 4,000만 톤, 남아프리카 공화국에 1,400만 톤, 미국에 570만 톤, 우크라이나에 600만 톤, 중국에 460만 톤이 매장되어 있는 것으로 추정됩니다.

지르콘의 가격은 2006년 가격이 톤당 미화 802$로, 2002년 가격인 397$의 약 2배 정도입니다. 지르코늄은 원자력 발전과 항공기 및 우주선의 부품 재료로 사용되므로, 미국은 이를 전략 물자로 간주하고 생산과 광석 매장량을 비밀로 하고 있습니다. 

 

중국도 희토류, 지르코늄 등의 전략 금속 수출을 2011년부터 2010년 수준에서 30% 줄이기로 발표한 바가 있습니다. 이 여파로 호주산 지르콘 가격이 2009년에 비해 2011년 1월에 50%나 폭등하기도 했습니다. 2011년 12월의 지르콘 가격은 1톤 당 미화 약 2400$였고, 99% 지르코늄 스폰지의 2009년 4월 가격은 1kg 당 대략 28$였습니다. 

 

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