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핵무기에 대한 고찰

Science

                                                   NUCLEAR WEAPONS
핵무기에 대한 고찰

Posted By 이재범
 핵무기의 역사

   핵무기는 핵분열이나 핵융합 시에 발생하는 강력한 에너지를 바탕으로 만들어진 무기이다. 결과적으로 아주 작은 핵무기라도 보통의 재래식 무기와는 다른 엄청난 힘을 내뿜으며, 커다란 핵무기의 경우 도시 전체를 날려버릴 수 있는 수준이다.
  최초의 핵무기에 대한 연구는 미국에서 독일, 영국, 미국, 캐나다 등에서 온 과학자들로 구성되어있는 팀에서 부터 시작되었다. 이 프로젝트의 이름은 '맨하탄 프로젝트' 라고 불렸으며, 제 2차 세계대전 독일이 핵무기를 연합군보다 먼저 개발할 것을 염려하여 시작된 프로젝트이다. 하지만, 나찌 독일이 패망하고 만든 핵무기는 일본의 도시 - 히로시마와 나가사키 를 파괴하는데 쓰여졌다. 최초의 실험은 1945년 6월 16일, 미국 뉴멕시코 주의 알모고르도(Alamogordo) 에서 진행되었다. 후에 1945년 8월 6일에 '에놀라게이' 라고 명명된 B-29 폭격기가 최초의 핵무기 우라늄 235 폭탄-Little Boy 를 일본 히로시마에 투하해 29만명이 사상당하고, 12km2 에 달하는 지역이 파괴되었다. 하지만 일본이 항복을 하지 않자, 미국은 또다시 일본의 나가사키에 플로토늄 239 폭탄-Fat man 을 투하해 7만명이 사망하였다. 

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Little Boy 의 폭발장면

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Fat man 의 폭발 장면

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Fat man 의 폭발장면


  그리고 1949년에는 마침내 소련에서도 핵무기를 개발하게되, 미국과 소련은 핵무기 경쟁에 들어가기 시작하였다. 이 때, 핵무기를 나를 수 있는 로켓 개발되기 시작하였는데, 1960년대에 다가서자, 핵무기는 전세계 모든 지역으로 발사될 수 있게 된다.
  1952년 미국은 작전명 Ivy 라는 프로젝트를 통해서 수소폭탄을 개발해내게 된다. Marshall 제도에서 이루어진 이 실험은 Mike 라는 이름을 가진 최초의 수소폭탄을 터뜨리게 되는데, 10.4의 메가톤의 에너지 (나가사키에 투하된 원자폭탄의 540 배에 달하는 위력) 을 방출하며 1.9km의 길이의 50m 깊이의 크레이터를 바다 속에 남기게 된다. 하지만 얼마 지나지 않아 소련에서도 수소폭탄을 개발하게 된다. Joe-4 라는 명칭을 가지고 있는 이 폭탄은 미 국방부에 큰 충격을 가했는데, 이는 이 수소폭탄이 종전 Mike 와는 달리 로켓에 실어서 멀리 날릴 수 도 있기 때문이였다.

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Mike 의 폭발장면, 미 최초의 수소폭탄

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Mike 의 폭발장면


  1954년에 미국은 또다른 수소폭탄 를 개발하게 되는데, 이는 다른 로켓에 장착되어서 멀리 날아갈 수 있는 구조였다. Shrimp 라는 이름을 가진 이 폭탄은 마셸제도에서 또다시 폭발되었는데, 이 때 예상했던 파괴력 수치의 2배를 뛰어넘는 - 15 메가 톤의 에너지를 방출하며 폭발하여서 미국 역사상 가장 큰 방사능 재앙을 불러일으켰다. 좋지 않은 날씨와 예상을 뛰어넘는 파괴력 수치는 10355 평방 킬로미터 (7000 제곱 마일) 에 달하는 지역을 오염시켰고, 이 기간동안 미국 내 암과 태아 사망률은 증가하였다.
 

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작전명 Castle Bravo 폭발장면

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작전명 Castle Bravo 의 폭발장면


  후에, 프랑스와 영국도 핵무기를 가지고 되는데 1961년 10월에는 소련에서 짜르 폭탄 (Tsar Bomb) 라고 명명된 폭탄이 폭발하였는데, 실험의 위험성을 줄이기 위해 파괴력을 약하게 했음에도 불구하고 50메가톤 ( 인류 역사상 가장 강력했던 폭발 ) 의 에너지를 방출하였다. 만약에 이 짜르 폭탄이 실제의 규모로 폭파되었으면, 100메가톤의 에너지를 내뿜었다고 추정한다. 폭탄은 27톤의 길이 8m, 높이 2m 의 거대한 규모였다. 비행기의 안전을 위해서 폭탄은 800kg 의 낙하산을 달아서 10400m 의 고도에서 천천히 떨어져 4000m 부근에서 폭발하였다. 폭발의 화구는 4000m 의 높이에서도 지상까지 다았으며, 위로는 비행기로 고도 까지 올라갔으나, 이미 비행기는 42km 밖으로 대피한 후였다. 이 거대한 폭발은 1000km나 떨어졌던 곳에서도 보였으며, 100km 바깥에 있어도 전신 3도 화상의 걸릴정도의 열이 방출되었으며, 후폭풍은 1000km 바깥에 있는 핀란드의 유리창을 깨뜨릴 정도였다. 이 폭탄의 폭발로 인한 지진파는 지구를 3바퀴나 돌았다고 한다. 50 메가톤은 2.1×1017 J 에 해당하며, 이 어마어마한 에너지가 3.9×10-8 초 (39 나노초) 동안에 방출되었다. 이는 태양이 같은 시간 동안 내뿜는 에너지의 1%나 달하는 양였다.

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Tsar Bomb, 짜르 폭탄, 세계에서 가장 강력했던 폭탄


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Tsar Bomb, 짜르 폭탄


  1967년에는 중국도 핵무기를 가지게 되었으며 후에 인도, 파키스탄, 이스라엘, 이란, 북한 등의 나라들이 핵무기를 보유했다고 기정사실화된 나라들이 되었다. 참고로 NPT (핵 확산 금지조약, Nuclear Non-Proliferation Treaty ) 에 가입한 나라들은 미국, 러시아, 영국, 프랑스, 중국 이며 나머지 국가들은 가입조차 하지 않았다고 한다.

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프랑스의 핵무기 실험


  핵무기의 종류와 원리

  핵무기의 종류를 크게 나누어 보자면 두 가지 종류가 있는데 이는 각각 핵분열(fission)을 이용한 폭탄과 핵융합(fusion)을 이용한 폭탄이다.

  • 핵분열 폭탄 : 주요한 에너지를 핵분열에서 얻는다. 핵분열은 우랴늄이나 플로토늄 같은 무거운 원자핵이 중성자에 맞아서 보다 가벼운 원소로 쪼개지며 중성자와 에너지를 생성하는 과정인데, 이 때 생성된 중성자는 다른 원자핵을 쳐서 또다른 붕괴를 야기한다. 이러한 연속적인 과정을 '핵 연쇄 반응' 이라고 불리며 이를 통해 발생되는 에너지를 이용한 것이 바로 핵분열 폭탄인 것이다.
  • 핵융합 폭탄 : 주요한 에너지를 핵융합에서 얻는다. 핵융합은 중수소나 리튬같은 가벼운 원자핵이 보다 무거운 원자핵으로 결합하면서 많은 양의 에너지를 방출하는 현상이다. 이 핵융합 폭탄은 사용되는 연료때문에 수소폭탄이라고도 불리며, 연쇄반응이 일어나기 위해 필요한 높은 온도로 인해 열핵폭탄이라고도 불린다.

핵분열 무기

  핵분열 시에 핵 연쇄반응은 핵분열성 물질의 순도, 크기, 모양, 또는 주변의 물질에 의해서 영향을 받는다. 만일 핵분열물질이 연쇄반응을 지속할 정도가 된다면, 이를 임계질량이라고 한다. 질량이 임계 질량인지 아닌지를 나타내는 수치인 유효 중성자 곱인자 (neutron multiplication factor) k는 다음과 같이 나타난다.
  k = fl 
  여기서 는 매 핵분열 시 방출되는 중성자의 개수의 평균이며, l 은 전체계를 떠나거나 핵분열 외의 물질에 사로잡혀서 사라지는 중성자의 평균개수이다. k 가 1일 경우 임계라고 하며 k 가 1 보다 작을 경우, 아임계(subcritical), k 가 1보다 클 경우 초임계 (supercritical) 라고 한다. 핵분열 폭탄은 이런 핵분열성 물질의 아임계 질량을 빠른 속도로 초임계 질량으로 바꿈으로써 핵 연쇄반응을 촉진시켜서 막중한 에너지를 내뿜게 한다. 하지만 효율적인 폭발을 위해서 너무 일찍 연쇄반응이 시작되면 안된다. 왜냐하면, 물질이 연쇄반응 상태에서 가열되어 팽창하게되어 최적상태에서 멀어지기 때문이다. 즉, 매우 적은 물질만이 핵분열을 하게 되고 효율성 역시 극도로 떨어지게 된다. 결과적으로 연쇄반응을 적절한 순간으로 빠르게 조절하기 위해서 중성자 방아쇠가 사용된다.

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핵 연쇄반응


  결론적으로 핵분열 시에 적절한 동위원소는 높은 확률로 핵분열을 일으키며, 핵분열 과정에서 많은 수의 여분의 중성자를 생성하며, 또한 핵분열과 무관하게 중성자를 흡수하지 말아야 하고, 마지막으로 낮은 자발 핵분열 비율(spontaneous fission rate) 을 지니고 있어야 한다. 위의 과정을 만족시키는 동의원소들의 종류에는 우랴늄 235와 플로토늄 239가 있다.

우랴늄 235

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우랴늄 235


  자연적이 상태인 우랴늄에 가장 많이 존재하는 동위원소는 우랴늄 238인데, 보통 우랴늄에 99.29%나 되는 많은 양을 차지하고 있고, 우랴늄 235가 차지하고 있는 비율은 낮다. 하지만 우랴늄 238은 매우 높은 확률로 핵분열 없이, 중성자를 흡수하며, 자발 핵분열 비율도 높다. 그와 반대로 우랴늄 235는 그와 정 반대로, 매우 높은 확률로 핵분열을 하며 자발 핵분열 비율도 매우 낮다. 결과적으로, 우랴늄에서 우랴늄 235를 추출해 내는 것이 관건이다. 보통 이 분리는 우랴늄 235가 우랴늄 238보다 약간 더 가볍다는 것에서 착안해 분리해 낸다.
 
플로토늄 239

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플로토늄 239


  우랴늄에 아주 미량만 들어있다. 하지만 군사 및 연구용 목적으로 플로토늄 238를 추출해 내려는 경우에는 우랴늄 238을 증식로 (breeder reactor)와 같은 강한 중성자원에다 노출시켜 얻는다. 우랴늄 238이 중성자를 흡수하면 우랴늄 239가 되는데 이 때 2번의 베타붕괴를 거치게 되면 플로토늄 239이 된다. 플로토늄 239 은 우랴늄 235 보다도 더 높은 확률로 핵분열을 하며, 자발 핵분열 비율도 더 낮다. 하지만 실제로는 증식로에서 생성된 플로토늄 239 은 중성자를 흡수하려는 경향을 가지기 때문에 약간의 플로토늄 240이 포함되어 있다.
  하지만 플로토늄 240은 높은 자발 핵분열 비율(415,000 번/(s•kg))을 가지기 때문에, 매우 좋지 않다. 이런 제한 때문에, 폭탄은 반드시 내폭형이 되야 하며 포신형으로 만들면 안된다. 무기로 쓰려는 플로토늄 239에 포함된 플로토늄 240의 양은 7% 이내가 되야 하며, 이는 우랴늄 238을 중상자원에 매우 짧은 시간동안만 노출시켜서 만들어 지는 플로토늄 240의 양을 줄일 수 있다.

우랴늄 233

  인공적으로 생성된 동위원소로 핵반응로에서 토륨 232로 부터 만들어 지는 원소이다. 분열 특성은 우랴늄 235과 플로토늄 239의 중간인데, 우랴늄이 많이 매장되어 있지 않고, 토륨이 많이 매장되어 있는 나라- 예를 들어 인도 같은 곳에서 많이 쓴다.

결합 방식

  보통 임계질량에 달하지 않은 물체를 임계질량에 달하게 하는 데에는 2가지 방법이 있다. 하나는 포신형이라고도 알려져 있는데, 2 개의 아임계질량상태인 두 물체를 하나로 만드는 것이고 또하나는 내폭형으도 불리며, 한 개의 아임계질량상태인 물질을 압축시켜서 초 임계상태로 만드는 것이다.

  포신형
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포신형

  초 임계 상태에 도달하게 하는데에 가장 간단한 방법으로 핵 분열성 물질을 두 부분에 놓아두고 하나를 다른 부분을 향해 총 처럼 발사하는 것이다. 이를 포신형이라 하며, 히로시마에 떨어졌던 Little Boy 도 이와 같은 형식으로 만들어 졌다. 하지만 두 물질을 합치는데에 상대적으로 오랜 시간이 걸리기 때문에 이에 적합한 핵 분열성 물질은 우랴늄 235 밖에 없다. 왜냐, 플로토늄 239를 여기에 이용할 경우, 플로토늄 239에 포함되어 있는 소량의 플로토늄 240이 먼저 핵분열을 해서 핵폭발 이전에 핵분열이 일어 날 수 있기 때문이다.
  보통 이 포신형 핵폭탄은 쓰진 않지만 기술적으로 조금 뒤떨어 져 있는 나라들이거나 높은 공학기술을 원치않는 곳에서는 이 방식으로 많이 만든다. 왜냐, 이 방식은 단지 순도 높은 우랴늄 235만 있다면 비교적 손쉽게 만들 수 있기 때문이다.
 
  내폭형
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내폭형


  만들기는 어렵지만 여러 부분에서 우수한 방식이 바로 내폭형 핵폭탄이다. 이는 핵 분열성 물질을 재래신 폭탄으로 둘러쌓아 먼저 폭파시키므로써, 핵 분열성 물질을 빠른 속도로 압축해서 단숨에 부피를 1/2 에서 1/3 으로 줄여버린다. 플로토늄 239 를 이용한 폭탄에서, 1%에 채 미치지 않은 양의 플로토늄 240이 높은 자발 핵분열 비율을 가지기 때문에, 플로토늄 239를 포신형 핵폭탄에서 이용한다면 이 효과가 매우 떨어지게 된다. 즉, 플로토늄 폭탄에서는 기술적으로 보다 어려운 내폭형 폭탄을 써야 하며, 과학자들이 만들기 쉬운 포신형 폭탄은 히로시마 투하 전, 테스트를 거치지 않은 반면 이 내폭형 폭탄은 나카사키 투하전, Trinity 라는 폭탄을 미리 테스트 한 부분에서 나타난다.
  자발 핵분열 비율이라는 문제점을 제외하고도 내폭형 폭탄은 포신형 폭탄 보다도 더 우월한 위치에 있다. 왜냐, 이 내폭형 폭탄은 두 개의 질량을 합치는 것이 아니라, 질량의 밀도를 증가시킴으로써, 유효 중성자 곱인자 k 를 증가시키는 것이기 때문이다. 결과적으로 통상 현대에 쓰이는 핵무기는 가운데에 속이 빈 낮은 플로토늄 중심부, 즉 피트(pit) 가 있으며 폭팔시 압축된다.

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내폭형 폭발 원리 애니메이션


  보통 템퍼 (tamper, 핵분열성 물질을 감싸면서 폭발시 보다 효율적으로 압축이 되도록 도와주는 매질) 주변을 폭발물로 채워 여러곳에서 동시에 터뜨려, 탬퍼와 피트를 찌그러트리게 된다고 해서 효과적인 폭탄이 나오는 것이 아니다. 대신, 폭발물의 충격파를 정확하게 계산하여 탬퍼와 피트가 완전한 구를 이루도록 해주어야 한다. 이러한 형태의 충격파는 폭발 렌즈에 의해서 일어나는데, 나가사키에 떨어졌던 Fat Man 의 경우는 32개, 보다 효율적인 폭탄은 90개 정도의 폭발 렌즈를 사용한다.
  이 때, 피트의 밀도가 2배로 증가하면, 10~20 킬로톤을 3배로 증가하면 40~45 킬로톤을, 5배로 증가하면 80~100 킬로톤의 에너지를 방출하게 된다.

핵융합 폭탄

  핵융합은 두 개의 가벼운 핵을 충돌시켜서 무거운 핵을 만드므로써 발생되는 에너지를 이용한 폭탄인데 통상적으로 수소의 동위원소를 이용한다 (이 때문에 핵융합 폭탄을 수소폭탄이라고도 부른다). 핵융합 무기는 핵분열 무기보다 킬로그램 당 더 많은 에너지를 방출하며, 핵융합 자체가 추가 중성자 원으로 사용되어서 또다른 핵분열을 야기 할 수 있기 때문이다. 또한 핵융합에 사용되는 가벼운 원소들 때문에 강한 파괴력을 가진 폭탄을 만들어도 로켓에 실어서 멀리 날릴 수 도 있다. 게다가, 커다란 핵분열 폭탄에 비해서 핵융합 폭탄은 더 싸며, 사고날 확률도 더 적다. 일단 핵융합 반응을 하려면 이 높은 온도의 열에 노출되어야 하는데, 이 때 필요한 높은 온도의 열 때문에 핵융합 폭탄은 보통 열핵융합폭탄 (Thermonuclear weapon) 이라고도 불린다. 핵융합 반응에 필요한 높은 온도는 핵분열 폭발에 만들 수 있다.
 
핵융합 부스팅

  핵융합을 이용하는 가장 쉬운 방법은 중수소와 삼중수소를 플로토늄 피트에 넣어두는 것이다 (이 때, 중성자 방아쇠는 바깥에 있어야 한다). 만약에 핵 연쇄반응이 핵융합 연료를 적당한 압력으로 누른다면, 삼중수소-중수소 핵융합 반응이 일어나며 많은 수의 중성자들을 주변의 핵분열 물질로 방출하게 된다. 이러한 중성자들은 핵분열 물질을 빨리 분해시키며 피트가 분해되기 전까지 많은 양이 소모되도록 해준다. 이런 핵융합 부스팅을 이용하면 무게만 약간만 증가될 뿐, 핵분열 무기의 효과를 2배로 증가시켜준다.

다단계 열핵융합 무기 (Staged thermonuclear weapon)

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핵융합 무기 디자인 개요


  '수소폭탄' 이라고도 불리는 다단계 열핵무기는 핵융합 물질을 점화시키기 위해서 핵분열 물질를 사용한다. 더 강한 폭발을 위해 점점 다른 무기를 사용한다는 점에서 '다단계' 라는 이름이 붙었다. 통상적으로, 수소폭탄을 만드는 완전한 과정은 한 번도 기밀해제가 된 적이 없다. 하지만 1979년의 United States v. The Progressive ( 미국 vs 진보당 ) 재판에서 미국이 수소폭탄 작동과정에 대한 문서를 검열하려 했으나 정부가 포기함으로써, 기밀해제된 문서에 따르면, 수소폭탄의 작동과정은 다음과 같이 구성된다.
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핵융합 폭탄 폭발 과정


  1차 핵분열 폭탄은 탄두 외피에 있다. 폭발시 그 것은 X선을 광속에 속도로 뿜어내는데, 주위에 둘러쌓고 있는 무거운 금속들이 X 선을 탄두 외피로 다시 반사를 하게 된다. 이 때, X 선은 2차 폭탄을 감싸는 매질을 자극하게 되는데, 이는 천연의 우랴늄으로 둘러쌓인 리튬 중수소 화합물(lithium deuteride) 이다. X 선은 탄두 내부에 차 있는 펜탄이 포함된 발포 폴리스티렌을 가열해서 플라즈마 상태로 만들고, 2차 폭탄의 외피를 안쪽으로 매우 강하게 폭발시킨다. 2차 폭탄 속에는 점화플러그인 우랴늄과 플로토늄이 있는데, 이들은 강한 압축을 통해 핵분열을 일으킨다. 이때, 생기는 높은 온도와 강한 압축은 중수소를 헬륨으로 융합시키며 많은 양의 중성자를 방출시킨다. 이 중성자들은 리튬6 을 삼중수소로 변화시키며, 더 많은 양의 감마선과 중성자들을 방출하게 한다. 이 중성자들은 천연 우랴늄으로 이루어진 외피를 핵분열 시키며 더 많은 에너지를 방출하게 하며, 핵분열로 인한 낙진도 증가하게 된다.  

결론
  핵무기들은 막강한 파괴력을 지닌 무기들이며, 그 피해 또한 만만치 않다. 보통 강한 열폭풍으로 시작해서 방사능 낙진까지, 통상적으로 엄청난 피해가 발생한다. 핵무기들이 아직까지  2차 세계대전 때, 2번 일본에서 쓰인 일 말고는 아직 없지만 앞으로 만약 다시 세계에 전쟁이 일어난다면, 핵이 다시 쓰일 일 도 발생할 수 도 있다. 하지만 이 때에는 2차 세계대전과 같이 국소된 지역의 피해가 아닌 방사능 오염으로 인한 전세계적인 피해가 발생해서 전쟁에 전혀 관계가 없는 다른 나라의 사람들까지 피해가 발생할 것이다. 앞으로, 핵무기 보유국인데도 불구하고 도대체 무엇이 잘났다고 핵 확산을 막는 그런 무식한 나라들과 달리 아예 국제적으로 핵 무기를 철저하게 버리고 다시 옛날의 평화스럽고 화목했던 시절로 돌아가는 것이 훨씬 더 낳을 법 하다.

  참고 자료들
( 앞의 부분은 영어자료를 번역하였고 뒤의 부분은 영어자료+한국 번역자료를 이용함 )
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design
http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%B5%EB%AC%B4%EA%B8%B0_%EC%84%A4%EA%B3%84

긴 포스팅을 마치며...
  아무리 봐도 정말로 긴 글 이지만, 재미있게 읽어보셨다면 정말 감사합니다.

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  1. 익명 2009.09.06 01:31

    비밀댓글입니다

  2. 익명 2009.10.13 00:00

    비밀댓글입니다

  3. 베비블루 2010.08.09 11:26

    질문이있는데요..그 아황산수소에서나 아임계질량상태에서의 '아'는 약간 모자란상태를뜻하는건가요?