핵폭발 (核爆發 Nuclear explosion)
실험명 "배저"로 1953년 4월 18일 네바다 핵실험장에서 있었던 23킬로톤 크기의 핵폭탄의 폭발장면
실험명 "조지"로 1951년 5월 9일 태평양에서 있었던 핵실험 장면
핵폭발은 핵반응이 빠르게 일어나 급작스럽게 에너지가 터져버리는 것을 뜻한다. 종류는 핵분열과 핵융합으로 나눌 수 있고, 대기권에서의 핵폭발은 버섯구름을 만들고, 주변을 광범위하게 방사선과 방사능 입자로 오염시킨다. 핵폭발시의 엄청난 에너지를 이용한 원자폭탄, 수소폭탄 등의 핵무기가 만들어져 있다.
역사
1905년 독일 대학에서 물리학을 강의하던 알베르트 아인슈타인
2차대전이 한창이던 1938년 가을 독일에서 스트라우스 만과 오토 한 등의 물리학자들이 우라늄 원자에 중성자를 충돌시키면 원자핵이 둘로 갈라지면서 2~3개의 중성자가 방출되는 현상을 발견하였다.이 물리학자 중 오스트리아의 여성과학자 마이트너가 덴마크로 망명한 후 핵분열이라는 이름을 붙였으며 서구에 알려지게 되었다.
1934년 나찌를 피해 미국으로 이주한 아인슈타인은 1939년 7월 루스벨트 대통령에게 원자탄의 출현을 경고하였으며, 1941년 일본의 진주만 공격 사건으로 독일에서 망명한 오펜하이머가 반장으로 임명되어 맨해튼 계획이라는 이름으로 본격적인 원자탄 개발이 시작되었다. 역시 독일에서 망명한 엔리코 페르미가 최초의 핵분열 연쇄반응을 일으키는데 성공했다.
프랑스 리옹에서 핵실험 반대운동
그러나 1945년 봄에는 독일이 핵무기를 생산할 수 없다는 것이 확실시 되었으며, 이때 부터 반핵운동도 시작되었으나, 트리니티라는 이름의 최초의 원자탄이 1945년 7월 16일 뉴멕시코주 알라마 고올드에서 실험 핵폭발하게 되었다.
1945년 8월 6일 일본 히로시마와 8월 9일 나가사키에 인류 최초로 핵무기로 인한 핵폭발이 실전에 쓰였다.
1945년 일본 나가사키 원자폭탄 폭발후 로마카톨릭 천주교회 파괴잔해.
핵폭발 원리
모든 물질은 그 물질 고유 특성을 그대로 가진 최소단위인 원자 집합체이며, 원자는 각각 다른 특성을 가진 103종의 원소들 중 몇 개로 결합된 입자이다. 핵폭발의 원료로 쓰이는 우라늄, 플루토늄, 코발트는 원소의 한 종류다. 핵폭발은 재래식 폭발과 달리 원자핵내의 반응에 따라 다른 원자핵이 생성되면서 발생하는 현상이다.
우라늄(U235)의 원자핵에 가속된 중성자를 충돌시키면 분열하면서 높은 에너지와 더불어 감마선 등의 방사선과 평균 2개의 중성자가 방출된다. 이 2개의 중성자가 다시 다른 원자핵에 충돌하는 연쇄반응이 핵분열 반응이다. 히로시마에 사용된 핵연료는 우라늄(U235) 이였고, 나카사끼에서는 플로토늄(PU239)가 사용되었으며 둘 다 모두 순수한 핵분열탄으로 원자폭탄이다.
반면에 삼중수소와 중수소의 두 개의 원자핵이 모여 하나의 무거운 헬륨 원자핵을 만드는 핵융합을 이용한 것은 수소폭탄이다.
1946년 남태평양 핵폭발장면.
핵폭발 특징
충격파, 전자기방사선(열복사선, 열자기파동, 핵방사선)을 발생한다.
핵폭발 형태
고공폭발
지표면에서 33km 이상 공중에서 폭발하는 것으로 열복사선의 형태로 전환되는 에너지 비율이 저고도폭발보다 크다. 1958년부터 1962년 사이에 미국에서는 태평양과 남극에서, 소련은 우주기지국이 있는 카푸스틴 야르에서 실험했다.
공중폭발
지표면에서 33km 아래이나 화구가 지표면과 접촉하지 않을 정도의 고도에서 폭발하는 것으로 충격에너지는 거의 폭풍의 형태로 나타난다. 발생되는 열복사선은 상당한 거리를 이동하게 된다.
표면폭발
화구가 지면 또는 수면과 접촉하는 방법이다. 방사선 구름에 지상의 오물과 파편들이 많이 흡수되어 방사능 낙진의 독성으로 넓은 범위까지 오염을 발생시킨다.
표면하폭발
지표면이나 수면 아래에서 일어나는 핵폭발이다. 열복사선은 대부분 주변의 토양이나 물에 의해 흡수되나, 핵방사선은 기화된 폭탄 잔재물과 암석 등을 함유하는 극고온, 극고압 구체가 형성되어 그 중 상당량이 낙진화 한다.
1955년 네바다주 핵폭발실험기지에서 촐영한 공중폭팔의 초기모습
1952년,핵폭발 중심에서 3키로 떨어진 지점에서 특수카메라로 찍은 핵폭발장면
핵무기 설계
핵무기 설계(核武器設計, 영어: nuclear weapon design)란 핵무기가 폭발하도록 하는 물리, 화학, 공학의 집적 과정이다. 핵무기 설계는 일반적으로 무기의 에너지원에 따라 두 부류로 나눌 수 있다.
최초의 핵무기인 트리니티.
• 핵분열 폭탄은 주요한 에너지를 핵분열에서 얻는다. 핵분열은 우라늄이나 플루토늄과 같은 무거운 원자핵이 중성자에 맞아서 보다 가벼운 원소로 쪼개어지면서 중성자 및 에너지를 생성하는 과정이다. 새로이 생성된 중성자는 또 다른 원자핵의 분열을 야기하며, 이러한 연속적인 과정은 핵 연쇄 반응으로 불리며, 엄청난 양의 에너지를 방출한다. 이 폭탄은 예전부터 원자 폭탄으로 불리어 왔다.
• 핵융합 폭탄은 주요한 에너지를 핵융합에서 얻는다. 핵융합은 중수소나 리튬과 같은 가벼운 원자핵이 보다 무거운 원자핵으로 결합하면서 많은 양의 에너지를 방출하는 현상이다. 핵융합 폭탄은 사용되는 연료때문에 수소 폭탄으로도 불리며, 연쇄 반응이 일어나기 위해 필요한 높은 온도로 인해 열핵폭탄으로도 불린다.
이 두 형태의 무기의 구분은 실제로는 불명확하며, 이는 거의 모든 현대 무기에는 두 가지의 특성이 산재해 있기 때문이다. 즉 작은 핵분열 폭탄이 핵융합 이전에 필요한 높은 온도 및 압력을 얻기 위해 사용된다는 것이다. 또한, 핵융합 물질 역시 핵분열 장치의 내부에 존재할 수 있으며, 이러한 물질은 추가적인 중성자를 생성해 핵분열 반응의 효율성을 높여주기도 한다.
대부분의 핵융합 무기는 에너지 생성분의 상당량(종종 총 생산량의 거의 반에 가깝기도 한 양)을 핵융합 반응으로 시작된 마지막 단계의 핵분열을 통해 얻기도 한다. 핵분열 및 핵융합 무기의 공통된 특징은 원자핵의 변형을 통해 에너지를 방출한다는 것이며, 이러한 특징을 가장 잘 나타내는 용어는 바로 핵폭탄이다.
중성자 폭탄, 코발트 폭탄, salted bomb과 같은 특징적인 핵폭탄도 존재한다.
핵분열 무기
가장 단순한 핵무기는 순수한 핵분열 폭탄이다. 이 종류는 맨해튼 계획이 설계한 최초의 핵무기이며, 앞으로 등장할 발전된 형태의 핵무기의 기본 구성요소이다.
임계 질량
핵분열시의 핵 연쇄 반응은 핵분열성 물질의 크기, 모양, 순도, 및 주변의 물질에 좌우된다. 만약 핵분열성 물질의 질량이 연쇄 반응을 지속할 수 있을 정도가 되면, 이를 임계 질량이라고 한다. 질량이 임계 질량인지 아닌지를 나타내는 수치인 유효 중성자 곱인자 k는 다음과 같이 나타난다.
k = f − l
여기서 f는 매 핵분열 반응시 방출되는 중성자의 평균 개수이며, l은 전체 계를 떠나거나 혹은 핵분열 외의 물질에 사로잡혀 사라지는 중성자의 평균 개수이다. k가 1일 경우 임계(critical)라고 하며, 1보다 작으면 아임계(亞-, subcritical), 1보다 클 경우 초임계(超-, supercritical)이라고 한다. 핵분열 폭탄은 핵분열성 물질의 아임계 질량을 초임계 질량으로 급격하게 바꿈으로서 작동하게 되며, 이러한 변화는 급속도로 연쇄 반응을 촉진시켜, 엄청난 에너지를 방출한다.
실제로는, 질량은 약간의 초임계로는 만들어지지 않는다. 대신, 약간의 아임계(k=0.9)로부터 높은 초임계(k=2 나 3)로 갑작스럽게 변하며, 각 중성자는 새로운 중성자를 만들어내며, 연쇄 반응은 더욱 급격하게 진행되게 된다. 핵분열을 이용하여 효율적인 폭탄을 만들 때 중요한 것은 충분한 양의 에너지가 방출되도록 오랫동안 폭탄을 흩어지지 않도록 하는 것이다.
폭발 이전의 핵무기는 하나 혹은 두 개의 아임계 질량의 핵분열성 물질을 지니고 있다. 하나의 아임계 물질을 지니는 폭탄은 압축 과정을 통해 초임계 상태가 된다. 두 개의 아임계 물질을 지니는 폭탄도 한다. 두 개의 아임계 물질 중 하나는 질량이 적어서 아임계 상태이며, 다른 하나는 부적절한 모양이기 때문에 아임계 상태이다. 하지만 두 물질이 합쳐진다면, 예로 첫 번째 물질이 두 번째 물질의 구멍에 들어가서 완전한 형태의 초임계 상태가 된다면 폭발하게 되는 것이다. 간혹 낮은 출력의 핵무기의 경우 두 번째 물질 역시 질량이 부족해서 아임계 상태일 수도 있다.
효율적인 폭발을 위해, 핵분열성 물질은 매우 빠른 속도로 최적의 초임계 상태에 놓여야 한다. 즉 너무 일찍 연쇄 반응이 시작해서는 안된다는 것이다. 이럴 경우 물질은 연쇄 반응에 의해 가열되며, 팽창하게 되어 최적상태에서 멀어지게 되는 것이다. 그러므로, 매우 적은 물질만이 핵분열을 하게 되고, 효율성 역시 극도로 떨어진다.
연쇄 반응을 적절한 순간에 빠르게 시작하기 위해서 중성자 방아쇠가 사용된다.
핵분열 무기를 설계하고 제조하는 데 있어서 기술적인 문제의 대부분은 초임계 질량을 만드는 시간을 최소한으로 하는 것이며, 폭발전에 발생하는 중성자의 수를 최소한으로 유지하는 것이다.
핵분열 무기에 적절한 동위원소는 높은 확률로 핵분열을 일으키면서, 핵분열 과정에서 많은 수의 여분의 중성자를 생성하며, 또한 핵분열과 무관하게 중성자를 흡수하지 말아야 하고, 마지막으로 낮은 자발 핵분열 비율을 지니고 있어야 한다. 위의 조건을 만족하는 주요한 동위원소는 우라늄-235, 플루토늄-239, 우라늄-233이다.
1958년 일반원자탄 절반 크기의 소형원자탄 폭발장면,그 놀라운 파괴력에 사람들을 공포에 떨게 만든다.
농축 물질
우라늄-235와 플루토늄-239는 이제까지의 핵폭탄에서 사용된 핵분열성 물질이었다. 대부분의 경우에, 이런 농축 물질을 생산하고 조달하는 일이 핵무기 개발에 있어 가장 어려운 부분이다. 예를 들어, 맨해튼 계획에서 90% 가량의 예산이 농축 물질을 생산하는 설비를 마련하는 데 사용되었다. 현대의 피트(아래 참조)는 일반적으로 우라늄-235와 플루토늄-239이 혼합되어 구성된다.
최근 미국이 우라늄-233을 이용한 시험용 폭탄을 시험하였으며, 이 폭탄은 인도의 핵무기 계획에 포함될 가능성이 있다.
비록 어느 국가도 사용한 적은 없지만, 몇몇 다른 동위원소 역시 핵폭탄에 사용될 잠재적인 가능성이 있다. 1992년 미국 에너지부는 넵투늄-237이 핵폭탄에 사용될 수 있다는 사실을 비밀 해제하였다.
우라늄-235
자연적으로 생겨나는 우라늄은 99.29%의 대부분을 동위원소인 U-238이 차지하고 있으며, 핵분열성 동위원소인 U-235는 단지 0.71%만을 차지하고 있다. U-238은 높은 확률로 핵분열 없이 중성자를 흡수하며, 또한 높은 자발 핵분열 비율을 가지고 있다. 이러한 특징은 U-238이 핵폭탄 내부에 너무 많을 경우 핵 연쇄 반응이 성공적으로 일어나지 않을 것임을 의미한다.
무기로 사용하기 위한 우라늄은 여러 동위원소 분리 방식을 이용하여 농축되며, 대개의 분리 방식은 U-235가 U-238보다 아주 약간 가볍다는 것을 이용한다. 이 과정은 핵무기 생산 계획에서 가장 어려운 부분이며, 모든 형태의 동위원소 농축 방식은 첨단 기술이 필요하다.
20% 이상의 U-235가 포함된 우라늄은 매우 농축된 우라늄이라고 하며, 무기로 사용할 만한 우라늄은 적어도 93.5%의 U-235를 지녀야 한다. U-235의 자발 핵분열 비율은 1 kg당 매 초 0.16 핵분열이며, 이러한 낮은 핵분열 비율로 인해 초임계를 달성하기 위한 두 핵분열성 물질의 결합 과정은 상대적으로 쉽다.
중성자 반사재가 없는 U-235 구의 임계 질량은 약 50 kg으로, 직경 약 17 cm의 구이다. 만약 구를 둘러싼 중성자 반사재가 있다면, 임계 질량은 15 kg 정도로도 낮아질 수 있다.
하지만, 내폭형 기폭장치를 이용하여 압축된다면, 임계 질량은 더욱 낮아질 수 있으며 위의 값은 무기를 제작하기 위한 필요량을 나타내지는 않는다.
플루토늄-239
플루토늄은 원자 번호가 94로 우라늄보다 2가 높다. 자연적으로는 플루토늄은 우라늄 광석에 아주 적은 양이 존재할 뿐이다. 군사용 혹은 연구용으로 필요한 플루토늄은 정제된 U-238을 증식로와 같은 강한 중성자원에 노출함으로서 얻을 수 있다.
U-238이 중성자를 흡수하면 U-239이 만들어지며, 이후 두 번의 베타 붕괴를 거쳐 플루토늄-239(Pu-239)가 된다. Pu-239는 U-235에 비해 보다 높은 핵분열 확률을 지니며, 또한 매 핵분열시 보다 많은 수의 중성자를 생성한다. 이러한 이유로 플루토늄은 우라늄에 비해 임계 질량이 보다 낮다. 순수한 Pu-239는 자발 핵분열로 인한 중성자 방출 비율이 상당히 낮으며(1 kg당 매 초 10 핵분열), 이 역시 폭발전의 초임계 결합을 더 쉽게 한다.
하지만 실제적으로, 증식로에서 생성된 플루토늄은 일정 량의 Pu-240을 지니고 있다. 이는 Pu-239가 생성 도중 추가의 중성자를 흡수하는 경향이 있기 때문이다. Pu-240은 높은 자발 핵분열 비율(1 kg당 매 초 415,000 핵분열)을 가지며 핵무기에 매우 부적절한 불순물이다. 이 제약으로 말미암아 플루토늄으로 만들어지는 핵무기는 포신형이기보다는 내폭형이 되어야 한다.
무기로 쓰기 위한 수준의 플루토늄은 Pu-240을 7% 이내로 가져야 한다. Pu-240이 낮은 비율로 포함된 플루토늄을 얻기 위해서는 U-238을 최소한의 시간 동안 중성자원에 노출하여 Pu-239가 중성자를 포획할 확률을 낮춘다. 중성자 반사재가 없을 경우 플루토늄 구의 임계 질량은 16 kg이지만, 반사재가 있을 경우의 임계 질량은 10 kg이며, 대략 10 cm 지름의 구이다.
내폭형 핵폭탄에서 압축될 때, 임계 질량은 보다 감소하며 위의 값은 정확한 양을 의미하지는 않는다.
대략 핵 연쇄 반응은 80 세대가 발생하며, 매 세대는 중성자가 10,000 km/s의 속도로 10 cm를 나아갈 정도의 시간이 필요하다. 다시 말해, 각 세대는 0.01 µs이며, 전체 연쇄 반응의 시간은 이 시간의 80 배이다. 그러므로 초임계 질량은 대략 1 µs 동안 뭉친채로 유지되어야 한다.
증식로에서 만들어진 플루토늄
우라늄-233
우라늄-233(U-233)은 인공적으로 만들어진 동위원소이다. 핵반응로에서 토륨-232로부터 만들어진다. U-233의 분열 특성은 U-235와 Pu-239의 중간 정도이다.
효율성
핵분열 무기의 효율성이란 핵분열성 물질 중 실제로 핵분열하는 물질의 비율이다. 최대 값은 25% 정도이다. 팻 맨의 경우는 14%정도였으며, 리틀 보이는 겨우 1.4% 정도였다. 핵융합 부스팅은 핵분열 효율을 40%까지 높일 수 있다.
결합 방식
임계 질량 이상을 달성하는 방법에는 두 가지가 있다. 개략적으로 말해, 하나의 방법은 두 개의 임계 질량 이하의 물질을 하나로 결합하는 것이며, 또 다른 방법은 임계 질량 이하의 물질을 임계 질량에 이르도록 압축하는 것이다.
포신형
초임계 질량을 달성하는 가장 쉬운 방법은 핵분열성 물질을 두 부분으로 구성하여, 하나를 다른 하나에 대고 총처럼 쏘는 것이다. 이러한 방식을 포신형(砲身型, gun type)이라고 하며, 히로시마에 떨어진 리틀 보이가 포신형이었다.
두 물질을 합치는 데 상대적으로 긴 시간이 걸리기 때문에, 이러한 결합 방식은 단지 우라늄-235에만 사용될 수 있다. 플루토늄-239로 이루어진 폭탄의 경우, 필연적인 불순물인 플루토늄-240의 높은 자발 핵분열 비율로 인해 핵폭발 이전에 핵분열이 일어날 가능성이 높다.
핵 연쇄 반응이 적당한 시간에 빨리 시작하기 위해서는 중성자 방아쇠가 사용되며 이에 관해서는 아래 항목을 참조하기 바란다.
리틀 보이는 80%의 순도의 U-235 60 kg(즉 48 kg의 U-235)을 지니고 있었지만, 최소 임계 질량은 약 20-25 kg이며, 이는 내폭형 핵폭탄의 임계 질량인 15 kg에 비해서 많은 양이다.
기술이 발전한 국가에서는 포신형 핵폭탄을 더이상 사용하지 않는다. 하지만 세계적으로 핵 개발을 원하는 국가나 테러리스트 등에 있어서는 복잡한 공학 기술이나 제조 기술을 요구하지 않는 상대적으로 간단한 포신형이 매우 중요하다. 충분히 농축된 우라늄만 있다면, 상대적으로 기술 수준이 낮은 국가나 단체도 비록 비효율적이지만 여전히 강한 포신형 핵폭탄을 제조할 수 있다. 리틀 보이를 제작한 과학자들은 성공 가능성을 너무 신뢰한 나머지 전쟁에서 사용하기 전에 핵실험을 거치지도 않았다.
1953년 네바다주 핵실험기지,캐넌포로 발사된 핵폭발장면.
내폭형
포신형보다 어렵지만, 많은 면에서 우수한 결합 방식이 바로 내폭형(內爆型, implosion type)이다. 내폭형이란 아임계 질량을 지닌 핵분열성 물질 주변을 통상 폭탄으로 둘러 싸고는 안쪽을 향해 폭발시킴으로서 핵분열성 물질을 매우 빠르게 압축시켜서 초임계 상태로 만드는 형태이다. 이러한 압축은 부피를 2내지 3분의 1로 압축시킨다.
플루토늄-239를 결합하는 경우, 1% 정도밖에 안되는 플루토늄-240이라는 불순물이 자발 핵분열로부터 너무 많은 중성자를 생성하므로, 포신형 핵폭탄의 경우는 완전히 조립되기 이전에 핵분열을 시작해버릴 가능성이 있다. 이러한 까닭으로 포신형 핵폭탄은 매우 낮을 효율성을 지닌다. 즉, 플루토늄 폭탄에 대해서는 기술적으로 보다 어려운 내폭형을 사용해야 하며, 나가사키에 떨어졌던 팻 맨이 바로 이러한 방식이다.
내폭형 핵무기의 개요
자발 핵분열이라는 문제점을 제외하고 생각하더라도 내폭형 핵무기는 일반적으로 포신형 핵무기보다 높은 효율성을 지닌다. 내폭형이 보다 효율적인 이유는 두 개의 질량을 합치는 것이 아니라, 일정 질량의 밀도를 높이는 것이며, 밀도의 증가는 핵 연쇄 반응의 중성자 곱인자 k를 증가시키는 것과 동일하기 때문이다. 현대의 대부분의 핵무기는 핵폭탄 탄두의 통상 폭탄 가운데에 밀도가 낮은 플루토늄 중심부, 즉 다른 말로 피트(pit)를 지니며, 이는 폭발시 압축된다.
피트의 밀도가 두 배 증가하면, 10-20 킬로톤의 폭발이 일어나게된다. 3배 압축시는 40-45 킬로톤의 폭발을, 4배 압축시는 60-80 킬로톤의 폭발을 발생시킨다. 5배 압축은 일으키기는 어렵지만, 80-100 킬로톤을 발생시킬 수 있다. 5배 압축은 매우 강력하고, 대규모이면서도 효율적인, 렌즈 폭발 시스템이 필요하다.
피트가 정확하게 압축이 되려면 피트 및 폭발 렌즈가 정밀하게 설계되고 제작되어야 한다. 이 과정에서 사용되는 밀링 머신은 매우 정밀해서, 안경 렌즈의 매끄러운 표면도 제작할 수 있을 정도이다. 최근에는 완전 구 형태가 아닌 피트 형태, 예를 들어 수박 같은 갸름한 형태 역시 제안된 상태이다.
열핵폭탄의 중요 부분은 표준 형태의 내폭형 핵분열 폭탄이다. 비록 보다 높은 효율을 달성하기 위해 중심부에는 약간의 핵융합 연료를 넣지만 말이다. 자세한 내용은 아래 혹은 텔러-울람 설계를 참조하길 바란다.
피트
플루토늄을 주조해서 가공하는 것은 매우 어려운데, 이는 독성 때문만이 아니라 플루토늄이 매우 다양한 금속상(metallic phase)을 지니고 있기 때문이다.
플루토늄은 식어감에 따라 상이 자주 변하며 이는 형태를 비뚤어지게 한다. 이러한 상 변화는 일반적으로 3-3.5 molar%(질량대비 0.9-1.0%)의 갈륨을 혼합함으로써 해결되는데, 갈륨이 포함되면 넓은 온도 범위 동안 델타 상태를 유지하게 된다. 즉 플루토늄이 녹아있는 상태로부터 식어가는 동안 엡실론 상태에서 델타 상태로 단 한번의 상 변화만 거치게 되며, 이는 갈륨이 없을 경우의 4번의 상변화에 비해 매우 적은 상 변화 특성이다.
다른 3가 금속(trivalent metal) 역시 사용가능하지만, 갈륨은 낮은 중성자 흡수 단면적을 지니며, 플루토늄이 부식되는 것을 막아준다. 단점으로는 갈륨 화합물 역시 부식성을 지니며, 만약 플루토늄이 폐기된 핵 무기로부터 추출되어 핵 발전기에 쓰이기 위해 플루토늄 산화물 형태로 변경될 때, 갈륨을 없애는 것이 어렵다는 것이다. 현대의 피트는 종종 플루토늄과 우라늄-235의 혼합물로 이루어진다.
만약 플루토늄이 어떠한 방식으로든 체내에 들어가게 되면, 높은 화학 반응성과 독성으로 말미암아 위험하기 때문에, 피트는 보통 얇은 비활성 금속으로 감싸둔다. 예전에는 니켈이 사용되었지만, 현재는 금이 주로 사용된다.
초기의 핵실험을 관찰하고 있는 군인들 - 요즘같으면 상상도 못할일이 아니겠나.~~~
폭발 렌즈
탬퍼(tamper, 핵분열성 물질을 감싸면서 폭발시 보다 효율적으로 압축되로록 해 주는 매질) 주변을 폭발물로 채워 놓고는 단순히 여러 곳에서 동시에 폭발시켜서 탬퍼 및 피트를 이래저래 찌그러뜨리기만 한다고 해서 효과적인 핵폭탄이 만들어지는 것은 아니다. 대신, 충격파를 정밀하게 계산해서, 충격파가 발산하지 않고 피트의 중심을 향해서 완전한 구를 이루면서 수렴하도록 해야한다.
이러한 형태의 충격파는 이른바 폭발 렌즈에 의해 만들어지는데, 폭발 렌즈는 서로 다른 속도를 지니는 폭발물로 구성되어 폭발면이 완전한 구 형태를 이루면서 수렴하도록 해 주는 성형작약의 일종이다.
폭발 렌즈는 폭발면의 속도를 정확하게 제어하기 위해, 정밀하게 설계되어야 하며, 화학적으로 순수하고 균일해야만한다. 이러한 렌즈를 주조하고 시험하는 것은 1940년대 내폭형 핵폭탄을 개발하는 데 있어서 기술적 난제였다. 또한 전자 exploding-bridgewire detonator(EBW)의 개발이 필요했는데, EBW는 동시에 폭발하는 장치로, 각 렌즈의 중심에서 동시에(100 나노초 이내) 폭발이 시작되도록 하는 장치이다.
나가사키에 떨어진 팻 맨은 32개의 렌즈를 사용해서 정20면체 형태를 이루었으며, 이후의 보다 효율적인 폭탄은 40, 60, 72, 92개의 렌즈를 사용한다.
slapper detonator는 EBW와 비슷하지만, 보다 효율적인 장비로, 이후 EBW를 대체하였으며, 요즘에는 핵폭탄을 비롯하여 통상 폭탄에도 사용되고 있다.
1953년 네바다주 핵실험기지,핵폭발지점에서 아주 가까운 거리에 있는 촬영기사. 주변의 먼지는 충격파로 생긴먼지다
1955년 네바다주 핵폭발실험기지
1958년 네바다주 핵실험 촬영기사.
Pusher
핵분열 폭탄에서 피트를 감싸는 폭탄이 폭발하면서 생기는 충격파는 너무나도 짧은 시간 지속되므로, 피트의 일부만이 압축되게 된다. 때로는 알루미늄, 베릴륨, 혹은 두 금속의 합금과 같은 낮은 밀도의 금속으로 이루어진 pusher 층이 폭발 렌즈와 탬퍼 사이에 놓이기도 한다(알루미늄이 비록 안전하고 가공하기도 쉽지만, 베릴륨은 효율적인 중성자 반사재인 면이 있다).
이는 충격파를 뒤로 밀쳐냄으로서 충격파의 지속시간을 좀 더 길게 해주는 역할을 수행한다. pusher로는 낮은 밀도의 물질이 적당하며, 탬퍼로는 높은 밀도의 물질이 적당하지만, 탬퍼 및 반사재는 그 스스로 pusher의 역할도 함께 수행하도록 설계될 수도 있다. 에너지 전달 효율을 극대화하기 위해서는, 두 층의 밀도 차이가 최소로 유지되어야 한다.
1950년대 이후의 대부분의 미국의 핵무기는 이른바 피트 "부양"이라는 기법을 도입하였는데, 이는 pusher와 피트 사이에 공기 층을 두는 것이다(그래서 피트가 떠 있다는 의미에서 부양이라고 한다). 공기 층의 효과는 pusher가 피트에 닿기 전에 충분한 관성을 얻도록 하는 것이며, 이는 보다 효율적이고 완전하게 피트가 압축되도록 한다. 이를 비유하면, 망치로 못을 치는 경우와 같이 생각할 수 있다. 즉 망치로 못을 박을 때, 박기 전에 거리를 두고 가속하는 것을 통해 망치의 힘을 증가시키는 것과 동일한 이치이다.
많은 현대 핵무기는 Pu-239나 U-235로 이루어진 피트를 사용하며, 이를 베릴륨, 텅스텐 탄화물, 혹은 U-238로 이루어진 탬퍼로 둘러싼다. 탬퍼층은 다시금 알루미늄, 강철, 혹은 다른 금속으로 이루어진 pusher 내부에 공기층을 사이에 두고 놓이게 된다. 거기에 추가로, 중수소, 삼중수소 기체가 무장 단계에서 내부의 빈 공간에 삽입되는데, 이는 "핵융합 부스팅"이라는 중성자 생성을 위한 약간의 핵융합 효과를 얻이 위해서이다(아래의 핵융합 부스팅을 참고하기 바란다).
탬퍼 반사재
탬퍼는 핵분열성 물질을 감싸는 선택적인 층으로 일반적으로 천연 우라늄, 열화 우라늄, 혹은 텅스텐과 같은 밀도 높은 물질로 구성된다. 탬퍼는 임계 질량을 줄여주며, 또한 자체의 관성 효과를 통해 핵분열 중인 물질의 분열을 늦추면서 핵무기의 효율성을 높여준다.
탬퍼는 폭발시의 엄청난 폭발 압력에 대해서 핵연료를 매우 짧은 시간 분열되지 않도록 지속해주며, 이러한 까닭으로 효율성을 증가시켜준다. 다시 말해, 실제로 핵분열하는 핵분열성 물질의 비율을 늘려준다는 것이다. 고밀도 탬퍼 재질이 장력이 강한 재질보다 효율적이다. 무기를 설계하는 데 있어서 그나마 다행인 것은 높은 밀도의 이른바 탬퍼에 적당한 물질은 또한 효율적인 중성자 반사재라는 것이다.
탬퍼가 중성자를 반사하고 핵분열성 물질의 분해를 막는 두가지 측면 모두에서 핵무기의 효율성을 증가시켜주기는 하지만, 효율성에 대한 효과는 임계 질량에 대한 효과만큼 크지는 않다. 이는 중성자 반사라는 과정은 시간이 걸리는 과정이기 때문이며, 핵 연쇄 반응이 멈추기 전까지 그렇게까지 많이 일어나는 현상은 아니기 때문이다.
중성자 반사재
중성자 반사재 층은 선택사항으로서, 대개 핵분열성 물질에 가장 가까운 층이다. 탬퍼와 같은 물질일 수도, 아닐 수도 있다. 비록 많은 탬퍼 재료가 적절한 반사재이기도 하지만, 가장 좋은 반사재인 베릴륨은 매우 나쁜 탬퍼 재질이다.
가장 효율적인 반사재는 베릴륨으로 알려져 있으며, 베릴륨 산화물 및 텅스텐 탄화물 역시 거의 비슷하게 효과적이며, 그 다음으로는 우라늄, 텅스텐, 구리, 물, 흑연, 철의 순서로 효과적이다.
탬퍼, 반사재 등을 고르는 것은 설계시 타협의 대상이다. 탬퍼, 반사재, pusher, 핵분열성 물질 등을 모두 합친 피트는 폭발 시에 안쪽으로 가속되어야 한다. 피트가 커질수록, 동일한 속도 및 압력을 얻기 위한 폭발물의 양은 많아야 한다.
초기 내폭형 핵무기는 무거운 pusher 와 탬퍼를 지녔는데, 그 당시 사용한 탬퍼는 천연 우라늄과 같이 적당하게 효과적인 반사재이기도 했다. 부양 형태나 혹은 밀도 낮은 피트는 폭발시의 에너지 효율을 증가시킨다. 만약 베릴륨으로 이루어진 매우 효율적이고 가벼운 반사재를 사용한다면 폭발시의 질량 효율성을 훨씬 더 높일 수 있다. 그러한 피트는 약간만 압축될 뿐이며, 핵분열 반응이 일정 수준에 도달하면 매우 급격하게 해체되게 된다.
핵융합 부스팅이 도입되기 이전에는, 효율적인 핵무기는 높은 질량을 지닌 탬퍼를 사용해야 하는지 아닌지에 관한 논쟁이 있었다. 하지만 핵분열율을 급격히 증가시켜주는 핵융합 부스팅이 도입된 현재에는, 탬퍼 매질이 없다고 해서 전혀 단점이 되지는 않는다. 탬퍼가 없어도 된다는 것은 핵무기의 소형화에 크게 기여하였다.
중성자 방아쇠/기폭 장치
핵무기가 정상적으로 동작하도록 하는 중요한 요소중의 하나는 바로 핵 연쇄 반응이 적절한 시기에 시작하도록 하는 것이다.
핵폭탄이 엄청난 양의 핵출력을 얻기 위해서는 충분한 양의 중성자가 적절한 시간에 초임계 중심에 존재하여야 한다. 만약 연쇄 반응이 너무 일찍 시작한다면, 폭발하기는 하겠지만 설계 목표에 훨씬 못미치는 이른바 불발에 가까운 핵출력이 일어날 것이다. 만약 너무 늦게 발생한다면, 폭발하지 않을지도 모른다. 이러한 까닭으로 중성자를 시간을 맞추어 발생시키는 여러 방법이 개발되어 왔다.
초기 중성자 방아쇠는 폴로늄-210(Po-210)이라는 방사성 동위원소로 이루어져 있었는데, Po-210은 강력한 알파선 방출원이며, 베릴륨은 여기서 나온 알파선을 흡수하여 중성자를 방출한다. Po-210은 140일 가량의 반감기를 지니고 있으므로 Po-210으로 이루어진 중성자 방아쇠는 자주 교체되어야 한다. Po-210은 핵반응로에서 만들어진다.
적절한 시간에 중성자로 이루어진 기폭 신호를 발생시키기 위해서는 폴로늄 및 베릴륨 두 물질이 서로 떨어져 있다가 폭발 순간에 빠르고도 완전하게 합쳐져야만 한다. 이러한 방식은 상대적으로 느린 포신형 핵무기에는 적당하지만, 내폭형 핵무기에 쓰이기에는 충분하게 정밀하지는 못하다. 팻 맨에서는 이러한 결합 방식 대신 세밀하게 만들어진 "urchin"이라는 이름의 기폭 장치를 사용했는데, 이는 베릴륨과 폴로늄이 얇은 금박으로 구분지어진 채 교대로 동심원을 이루는 구조였다.
다른 중성자 공급 방식은 펄스 중성자 방출기로, 이는 금속 수소화물(수소 화합물)로 된 목표물을 지닌 작은 이온 가속기이다. 이온원이 중수소나 삼중수소의 플라스마를 만들어내기 시작하면, 높은 전압이 관에 걸리게 되며, 전압이 걸린 관은 이온을 가속하여 스칸듐과 같은 삼중수소가 풍부한 금속 목표물에 부딪히게 한다. 이온은 가속되며, 높은 확률로 핵융합이 발생한다. 중수소-삼중수소의 핵융합은 짧은 펄스를 이루는 14 MeV 중성자를 방출하는데, 이는 핵 연쇄 반응을 유도하기에 충분하다. 펄스는 정밀하게 제어가능하며, 내폭형 핵폭탄에 보다 적절한 방법이다.
포신형 핵폭탄이 만약 "target capture"라는 방식(쉽게 말해, 두 아임계 질량이 일단 합쳐진 다음에는 폭발하기 전까지 분해되지 않도록 하는 방식)을 사용한다면, 중성자 방아쇠는 핵무기의 효율성을 높이는 데 있어서 그다지 필수적인 사항이 아니다. 예를들어 리틀 보이의 설계 막판이 되어서야 중성자 방아쇠가 추가되었을 뿐이다. 포신형 핵폭탄에서의 중성자 방아쇠는 단지 폭발 순간을 밀리초 단위로 정확하게 제어할 수 있도록 보장해주는 의미이다.
두 결합 방식의 비교
포신형 핵무기는 내폭형 핵무기가 완전하게 개발된 이후 미국에서 완전히 사라졌으며 더이상 제작되지 않는다. 심지어 영국과 같은 핵 보유국은 포신형 핵무기를 제작한 적도 없다. 매우 농축된 우라늄-235가 필요하다는 것 이외에도, 포신형은 다른 어려운 제약 사항이 뒤따른다. 핵무기의 질량을 감소시키고 핵분열하는 물질의 비율을 높여주는 여러 다른 기법을 사용하기 위해서는 내폭형이 보다 적절하다.
포신형 핵무기는 여러 안전 문제가 존재한다. 예를 들어, 상대적으로 단순한 사고로 임계 질량을 달성 할 수 있는 질량 및 형태의 핵분열성 물질을 지닌 무기를 가지고 있는다는 것은 그 자체만으로도 위험하다. 게다가 핵무기가 비행기에서 바다로 떨어진다면, 바닷물이 경수의 역할을 해서 중성자 감속제로서의 작용을 하게 되며, 설령 핵무기가 물리적인 피해를 입지 않는다고 하더라도 심각한 사고가 발생할 수 있다. 이러한 두 위험성은 내폭형 핵무기에서는 일어나기 힘든데, 기본적으로 정확한 렌즈 폭발이 없이는 임계 질량에 결코 미치지 못하는 양의 핵분열성 물질이 있기 때문이다.
내폭형 핵무기의 경우 일반적으로 핵무기 중심에서 피트를 아예 물리적으로 제거한 채로 보존되며, 장전 과정에서 피트를 조립하게 된다. 그러므로 심지어 점화 기기에 오류가 발생해서 실제 폭발과 동일한 정확한 수순으로 폭발 렌즈가 동시에 작동한다고 하더라도 핵폭발은 발생할 수 없다.
안전을 기하는 다른 방식으로, 피트는 일반적으로 조밀하지 못하고 거의 비어있는 공간이므로, 그러한 공간에 금속 사슬과 같은 비활성 금속을 채워두는 방법이 있다. 사슬이 피트 중심에 있기 때문에, 피트는 핵분열을 할 수 있는 형태로 압축되지 못한다. 핵무기가 무장될때, 사슬이 제거된다.
심각한 화재는 핵탄두 내부의 통상 폭탄을 폭발시킬 수 있고, 이는 많은 핵 사고 목록에서 보듯이 피트를 파괴하고 플루토늄을 흩트려 주변을 오염시킬 수 있다. 하지만 이러한 경우에도, 핵폭발은 일어날 수 없다.
남아프리카 공화국의 핵 개발 계획은 내폭형 장치를 배제하고 포신형 기법을 채용한 거의 유일한 계획이었으며, 계획을 중단하기까지 5개 가량의 포신형 핵무기를 제작하였다.
핵분열 폭탄의 실질적인 제약
가장 강력한 순수 핵분열 폭탄은 Ivy King이었는데, 500 킬로톤의 핵출력을 보였으며, 이는 순수 핵분열 폭탄의 출력 상한선에 거의 근접한 수치이다. 많은 양의 핵분열성 물질을 아임계 상태로 폭발을 기다리며 유지하고 있는 것은 기술적으로 어려우며, 또한 핵폭발 전의 폭발을 막으면서 아임계 질량을 순식간에 초임계로 만드는 것 역시 매우 어려운 문제이다.
핵폭발 전의 폭발은 대부분의 연료를 사용되지 않은 채로 즉 핵분열을 일으키지 않은 상태로 날려버린다. 가장 효율적인 순수 핵분열 폭탄은 쪼개어지기 전에 ~25%의 핵분열성 물질을 소모할 수 있으며, 많은 경우는 훨씬 덜 효율적이다. 예로, 팻 맨은 14%의 효율성을 보였으며, 리틀 보이는 1.4%정도에 그쳤다. 큰 핵출력을 지니는 순수 핵분열 폭탄은 고농축 연료를 많이 사용하는 이유로 발생하는 무게, 크기, 가격으로 인해 그다지 효율적이지 못하다.
일부 핵분열 폭탄 설계에 있어 또 다른 제약은 전자 기기를 오동작을 방지하기 위해 일정 온도 내에 보관해야 한다는 사실이다. 일부 무기는 안정된 온도를 유지하기 위해 내부에 난방 장치를 설치하기도 하였다(이러한 방식은 미국 항공우주국의 탐사선 등에서 여전히 사용된다). 영국의 경우는 난방 장치를 이용한 방식 이외에도 좀 더 유별난 방식을 고안하기도 했다.
핵융합 무기
핵융합을 이용하는 핵무기는 핵분열만을 이용하는 핵무기에 비해 엄청나게 큰 핵출력을 얻을 수 있다. 이는 핵융합이 매 반응마다 핵분열에 비해 더욱 더 거대한 에너지를 발생시키기 때문이며, 핵융합 자체가 추가 중성자원으로서 사용될 수도 있기 때문이다.
에너지 방출이 높다는 것 이외에도 핵융합 연로로 사용되는 원소가 가볍다는 점 역시도 장점으로 작용해서, 매우 높은 핵출력을 지니면서도 여전히 운반이 용이한 핵무기 설계를 가능하게 해준다.
핵융합은 주로 수소의 동위원소인 두 가벼운 원소의 결합이며, 보다 안정된 무거운 원소를 형성하면서 잉여 에너지를 방출한다. 핵융합 반응은 높은 열에너지를 필요로 하며, 이러한 이유로 핵융합 폭탄은 열핵폭탄으로도 불린다.
핵융합 반응에 필요한 극히 높은 온도와 밀도는 핵분열 폭발을 통해 쉽게 만들 수 있다. 순수 핵융합 폭탄은 초기에 핵분열을 필요로 하지 않는 가설상의 설계이며, 이러한 종류는 이제까지 제작된 적이 없다.
1961년 남태평양 상공,수소폭탄 폭발후의 핵구름 확산 모습.
핵융합 부스팅
핵융합을 사용하는 가장 쉬운 방법은 중수소와 삼중수소의 혼합물을 내폭형 플루토늄 피트 내부에 넣어두는 것이다. 이 경우에는 중성자 방아쇠가 피트 중심에 있는 것이 아니라, 피트 외부에 있어야 한다.
핵 연쇄 반응이 핵융합 연료를 충분한 압력으로 누른다면, 중수소-삼중수소 핵융합 반응이 일어나며, 많은 수의 고에너지 중성자가 주변의 핵분열 물질로 방출되게 된다.
이러한 중성자는 핵분열 물질을 보다 빨리 분열시키며, 피트가 분해되기 이전에 보다 많은 양이 소모되도록 해준다. 이렇게 핵융합을 통해 핵분열을 촉진시키는 것을 핵융합 부스팅이라고 하며, 핵융합 부스팅을 이용하면 순수 핵분열 폭탄의 효율성은 두 배로 증가되는데(즉 효과적인 설계라면 약 20%에서 40%로), 반면 장치의 크기나 무게는 얼마 증가시킬 필요가 없다는 점에서 매우 효율적이다.
핵융합을 통해 방출되는 에너지 양은 핵분열로부터 얻는 에너지의 1% 정도밖에 되지 않으며, 핵융합은 대개 추가 중성자를 공급함으로서 핵분열 효율성을 늘리는 효과만 한다.
부스팅은 일반적으로 핵 무장 단계에서 기체 형태의 중수소-삼중수소 혼합물을 바깥 저장고로부터 피트로 주입하는 것으로 이루어진다. 삼중수소는 12.3년의 짧은 반감기를 가지고 있고, 매우 비싸며, 우라늄 및 플루토늄과 매우 화학 반응성이 높다.
폭탄 외부의 삼중수소 저장고에 보관하는 것은 폭탄을 분해할 필요 없이, 삼중수소로부터 생겨난 헬륨-4 찌꺼기를 쉽게 제거할 수 있도록 해준다. 이론적으로, 고체 수소화물이나 액체형태의 중수소-삼중수소를 사용할 수도 있으나, 기체를 사용하는 것이 세계적이다.
핵융합 부스팅은 두 가지의 이점을 제공한다. 첫 번째는 명백한데, 무기를 훨씬 작고, 가볍게 하고, 또한 같은 핵출력에 대해 핵분열성 물질을 적게 사용하도록 하며, 그러므로 제작하고 운반하는 데 드는 비용이 훨씬 싸게 만들 수 있다는 것이다.
두 번째 이점은 핵융합 부스팅은 핵무기를 방사선 간섭에 영향을 받지 않도록 해준다는 것이다. 1950년대 중반, 플루토늄 피트가 주변 핵폭발로부터 발생한 강력한 방사선에 노출될 경우 실제 폭발 이전에도 부분적으로 폭발할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 물론 전자 장비도 피해를 입고 오동작할 수 있지만, 이는 별개의 문제이다.
방사선 간섭은 효과적인 조기 경보 레이더 시스템이 등장하기 전까지는 특히 커다란 문제였는데, 이는 적이 선제 공격을 하게 되면, 자국의 핵무기가 모두 쓸모없어질 가능성이 있기 때문이었다. 부스팅 기법은 핵무기에 필요한 플루토늄의 양을 방사선 간섭에 쉽게 영향받을 만한 양 이하로 줄여준다.
때로는 "기체 부스팅"이라고도 하는 핵융합 부스팅은 이른바 수소 폭탄에서 사용되는 핵융합을 사용하기는 하지만, 여전히 핵분열 폭탄으로 간주된다. 사실, 핵융합 부스팅은 열핵무기 내부의 핵분열 폭탄등을 포함하는 대부분의 현대 무기에서 매우 일반적이다.
다단계 열핵무기
일명 "수소 폭탄"인 다단계 열핵무기는 핵융합 연료에 점화하기 위해 핵분열 폭탄을 사용한다. 점점 더 큰 폭발을 얻기 위해 서로 다른 무기를 연쇄적으로 사용한다는 점에서 "다단계"라고 이름 붙여졌다.
현대 열핵폭탄 설계의 기본 원칙은 여러 나라의 과학자들이 독립적으로 개발하였다. 로스 앨러모스 국립 연구소의 에드워드 텔러와 스타니스와프 울람은 1951년 현재 미국에서 텔러-울람 설계로 알려진 다단계 폭발의 아이디어를 연구하였다. 소비에트 연방의 안드레이 사하로프 역시 독립적으로 연구를 수행하여 1955년 이른바 "3번째 생각"이라고 명명한 같은 답에 도달하였다.
다단계 열핵폭탄에 관한 완전한 내용은 이제까지 완전히 기밀해제 된 적이 없다. 또한 여러 기밀 해제된 서로 다른 내용으로부터도, 수소 폭탄이 정확히 어떻게 동작하는지에 관한 완전한 정답에 도달하지 못했다. 기본 원리는 미국 에너지부가 기밀 해제 한, 두 개의 정보로부터 밝혀졌다. 하나는 "열핵무기에서 1차 핵융합 폭탄이 2차 폭탄으로 불리는 열핵 연료의 열핵반응을 유도하기 위해 사용된다"는 사실이며, 다른 하나는 "열핵무기에서는 핵분열에서 나오는 방사능이 핵무기 내부에서 유지되면서 서로 구분지어 보관되는 열핵연료를 압축하고 점화하는 데 사용된다"라는 사실이다.
2차 핵융합 단계는 1차 핵분열 단계에서 발생하는 X선에 의해 압축됨으로써 시작되게 되는데, 이러한 과정은 이른바 방사능 폭발(radiation implosion)이라고 한다. 이 과정에 대해 완전한 정보 공개가 이루어진 적이 없기 때문에, 외부 전문가들은 추측, 공개된 정보, 전직 무기 개발 과학자의 인터뷰, 그리고 독립적인 이론적 계산을 통해서 여러 가지 이론을 세울 수밖에 없었다.
미국 정부가 수소 폭탄의 작동과정에 대한 문서를 검열하려고 했으나, 결국은 정부가 재판을 포기하였으며, 대신 수소 폭탄에 관한 많은 새로운 정보가 기밀해제 된 1979년의 미국 v. The Progressive 재판건에서 알려진 한 가지 방식은 다음과 같다.
텔러-울람 열핵무기 설계 개요
1차 핵분열 폭탄은 탄두 끝부분에 위치한다. 폭발시, 핵분열 폭탄은 X선을 광속으로 뿜어낸다. 탄두 외피는 무거운 금속으로 만들어지며, 따라서 X선 반사재의 역할을 하므로, X선은 탄두 외피에 반사되게 된다. X선은 반사되면서 2차 폭탄을 감싸는 매질을 자극하는데, 2차 폭탄은 천연 우라늄이라는 탬퍼이자 pusher로 감싸여진 기둥이나 구 형태의 리튬 중수소화물 핵융합 연료이다.
X선은 탄두 내부를 채우고 있는 펜탄이 포함된 발포 폴리스티렌을 가열하여 플라스마 상태로 만들며, 또한 2차 폭탄을 감싸는 외피를 강력한 힘으로 안쪽을 향해 폭발시킨다.
2차 폭탄 내부에는, 농축 우라늄이나 플루토늄으로 이루어진 "점화전"이 존재하는데, 2차 폭탄 외피의 강력한 내파로 인해 스스로의 핵분열을 시작하게 된다. 이와 동시에 2차 폭탄 내부의 핵융합 연료가 압축되고, 또한 새로이 시작한 핵분열로 인한 높은 온도로 말미암아, 중수소는 헬륨으로 융합되기 시작하고, 막대한 중성자를 방출하게 된다. 중성자는 리튬을 삼중수소로 변화시키며, 이후 핵융합을 일으키고, 많은 양의 감마선 및 더욱 많은 중성자를 발생시킨다.
잉여 중성자는 탬퍼, pusher, 외피 및 X선 반사재로 사용되는 천연 우라늄마저 핵분열을 일으키게 하며, 더욱 높은 핵출력을 제공하게 된다. 이러한 마지막 핵분열 효과는 폭탄의 핵출력을 엄청나게 증가시킬 뿐만 아니라, 핵분열로 인한 낙진의 양 역시 극도로 증가시킨다. 납이나 텅스텐 같은 핵분열 불가능한 물질이 우라늄이나 토륨과 같은 핵분열성 물질 대신 탬퍼/pusher/외피 등에 사용될 수 있는데, 이 경우는 핵출력 및 낙진의 양이 줄어들게 된다.
일부 사람들은 위에 기술된 방사능 폭발이라는 "발포" 원리에 의문을 품고, 또한 2차 폭탄을 압축하는 실질적인 원리는 X선의 "방사능 압력"도, 혹은 플라스마 상태의 발포 폴리스티렌의 물리적인 압력도 아니라고 지적했다. 대신, X선 방사선이 탬퍼 및 pusher를 "태워 날려버리는" 효과에 의해 2차 폭탄이 폭발하는 것이라고 설명했다. 설명에 따르면, X선은 탬퍼와 pusher를 둘러싸고 가열하여, 이윽고 2차 폭탄의 외피층을 사방으로 증발/폭발시켜버리게 되며, 이러한 폭발이 내부로의 압력을 형성하게 된다는 것이다. 즉 다른 말로, X선에 의해 가열된 2차 폭탄 외부의 탬퍼/pusher층은 로켓인 양 바깥으로 폭발하게 되며, 반면 남아있는 층은 반작용으로 안쪽으로 폭발하게 된다는 것이다.
발포 폴리스티렌을 사용하는 텔러-울람 설계 열핵무기의 점화 순서
고급 열핵 무기 설계
현대의 가장 큰 핵분열-핵융합-핵분열 방식의 무기는 U-238이라는 가장 안정한 우라늄의 동위원소로 이루어진 최외곽층을 지니거나 혹은 U-238로 이루어진 X선 반사재를 지니고 있다. 다른 방식으로 해서는 폭발하지 않을 불활성의 U-238은, 핵융합 단계의 엄청난 밀도의 고속 중성자가 핵분열을 일으키게 되며, 폭탄의 핵출력을 수 배 증가시킨다.
예로, 미국의 역사상 가장 거대했던 Castle Bravo 실험에서는, 15 메가톤의 핵출력이 있었는데, 그 중의 10 메가톤이 천연 우라늄으로 이루어진 탬퍼가 핵분열 하면서 생긴 것이다. 하지만 보다 높은 핵출력을 위해서는 적절한 수준의 농축 우라늄이 대신 사용될 수도 있다.
현대의 MIRV 미사일등에서 각각의 작은 재돌입 탄두에 어울릴 정도로 핵무기를 소형화 하기 위해서는, 이전에 사용되던 기둥 형태의 2차 폭탄 대신에, 구 형태의 2차 폭탄을 사용하는 것으로 추측되고 있다.
3개의 핵무기로 구성된 열핵폭탄 역시 개발 되었는데, 여기에서 3번째의 폭탄은 더욱 거대한 핵융합 폭탄이며, 이는 2차 핵융합 폭탄의 에너지에 의해 압축되게 된다. 이러한 3단계 핵무기로 미국에는 Mk 41이, 소비에트 연방에는 차르 봄바가 각각 존재한다. 비록 기가톤에 필적하는 핵출력을 낼 수 있는 5 내지 6 단계의 핵무기가 실제로 필요한지는 모르겠지만, 이론상 핵폭탄의 단계에 관해서는 제한이 없다.
코발트 폭탄은 외피에 코발트를 사용하는데, 핵융합시의 중성자가 코발트를 코발트-60으로 변화시킨다. 코발트-60은 5 년이라는 긴 세월 동안 감마선을 방출하며, 심각한 방사능 오염을 유발한다. 일반적으로 이러한 방식의 무기는 salted bomb이라고 불리며, 다른 종류의 동위 원소를 사용함으로써 여러 낙진 효과를 기대할 수 있다.
금은 며칠 단위의 단기간 낙진을 형성하며, 탄탈럼(tantalum)과 아연은 몇 개월 단위의 중간 정도의 낙진을 유발한다. 첨가물로 효율적이기 위해서는, 첨가물은 원래의 동위원소가 자연계에 풍부해야하며, 중성자 추가로 형성된 방사선 동위원소가 감마선을 강하게 생성하여야 한다.
이러한 무기의 근본 목적은 일부 지역에 극도로 강한 방사능 낙진을 형성해 진군을 막는 이른바 바람을 타고 퍼지는 지뢰밭의 영역을 수행하는 것이다.
코발트가 포함된 핵무기는 대기 중에서 실제로 실험된 적이 없으며, 또한 공개적으로는 아무도 제작한 적도 없다. 하지만, Castle Bravo 실험에서와 같이 수많은 매우 "더러운" 열핵무기가 개발되고 폭발되었는데, 이는 천연 우라늄이나 농축 우라늄 등을 이용하는 마지막 핵분열 단계가 그 스스로도 강력한 낙진을 생성하기 때문이다.
영국은 코발트를 실험시의 방사능 추적자(追跡子)로 사용한 폭탄을 실험한 적이 있다. 이 실험은 1957년 9월 14일 오스트레일리아의 Maralinga range, Tadje site에서 이루어졌으며, 1 킬로톤의 핵출력을 지닌 폭탄이었다. 하지만 이 실험은 실패로 판정났으며, 반복되지 않았다.
코발트는 포함 가능한 오염 물질 중에서 가장 긴 반감기를 지니며, 이러한 이유로 Leó Szilárd는 이러한 무기가 잠재적인 "종말의 도구" 라고 언급하였다. 5년이라는 반감기동안, 사람들은 지하 방공호에서 안전할 때까지 오랜 세월을 숨어있어야 하며, 효과적인 인류 말살 수단이라는 것이다. 하지만, 어떠한 국가도 이런 전략을 가지고 있지는 않은 것으로 알려져 있다. 영화 Dr. Strangelove는 이러한 인류 최후의 무기를 중요한 구상 요소로 채용하였다.
열핵무기의 마지막 변종은 강화 방사능 무기(enhanced radiation weapon) 혹은 중성자 폭탄이며, 이러한 중성자 폭탄은 작은 열핵무기로 핵융합 반응으로 만들어진 엄청난 양의 중성자가 핵무기 내부에서 흡수되는 것이 아니라 방출되는 형태의 폭탄이다. 무기 내부의 X선 거울 및 무기 외피가 크로뮴이나 니켈로 이루어져 있어서 중성자가 무기 밖으로 빠져나올 수 있다.
고에너지 중성자의 강력한 폭풍은 중성자 폭탄에 있어 중요한 파괴 방식이다. 중성자는 다른 형태의 방사능보다 훨씬 관통력이 강하며, 감마선을 효율적으로 막는 방호물질이라고 하더라도 중성자는 효율적으로 막아낼 수 없다. "강화 방사능"이라는 용어는 폭발 순간에 발생하는 강력한 전리 방사능을 지칭하는 발이며, 이후에 발생하는 낙진이 보다 강해졌다는 의미는 아니다. 그러한 의미에서 낙진을 보다 강하게 하는 salted bomb과는 차이를 보인다.
소형화
최초의 핵무기는 거대하고 이상하게 생긴 장치였는데, 수 톤이 나갔으며, 대형 폭격기로부터 중력 폭탄의 형태로만 투하될 수 있었다. 제2차 세계 대전이 끝나고 몇 년 동안, 로켓이 개발 되었으며, 핵무기가 미사일의 탄두로 사용될 정도로 작게 만드는 데 노력을 기울이게 되었다. 그리하여 핵보유국들은 핵무기 설계에 있어 한계를 측정하기 위해 수많은 핵실험들을 행하였다.
상대적으로 작은 크기의 열핵무기를 필요로 하는 MIRV같은 무기는 방대한 양의 실험 결과가 있어야만 만들 수 있다고 각국은 믿고 있었다. 미국이 배치한 가장 작은 핵탄두는 Davy Crockett 무반동총에서 사용되는 W54이다. 이 무기의 탄두는 대략 23 킬로그램이며, 0.01-0.25 킬로톤의 핵출력을 지닌다. 이는 열핵무기 치고는 매우 작지만, 여전히 거대한 폭발 및 치명적인 방사능, 그리고 상당한 양의 낙진을 유발한다. W54는 이론상 가능한 최소 크기에 가깝다고 믿어진다.
비축 핵무기 관리 계획
냉전이 끝나고, 대부분의 핵 보유국은 핵실험을 하던 것을 정치적인 이유로 이제는 중단하게 되었다. 핵실험이 중단됨으로 해서, 이제는 낡아가는 핵무기가 얼마나 안전하며 믿을 수 있는가 하는 것이 문제로 떠오르게 되었다. 미국은 비축 핵무기 관리 계획을 가동하고 있는데, 이는 오래된 탄두의 안전성을 완전한 핵실험 없이 검증할 수 있는 계획이며, 주로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수행한다.
핵전쟁
핵전쟁은 핵무기를 사용하는 전쟁을 말한다. 핵무기의 역사에서 국가단위의 전쟁에서 핵무기는 두 번 사용되었고, 미국에 의해서만 사용되었다. 오늘날에 핵전쟁이라는 용어는 주로 전쟁의 두 당사국이 모두 핵무장을 한 경우의 전쟁으로 사용된다.
타이탄 II ICBM은 9 Mt급인 W53 핵탄두를 장착한다. 이것은 냉전 시대에 미국이 보유한 최고 폭발력의 핵탄두 중 하나이다.
핵전쟁의 유형
핵무기를 사용한 전쟁은 보통 두가지 분류로 나뉜다.
첫 번째는 제한적 핵전쟁이다. 때때로 공격하거나 교환한다. 주로 적의 군대를 겨냥한 소수의 전술핵을 사용한다. 핵폭발에 의해 민간인들이 피해를 입기도 하겠지만, 주된 목적은 군대를 공격하는 것이다.
재래식 무기에 비해 월등히 값싸고 파괴력이 높기 때문에, 다수의 국가들이 비교적 폭발력이 약한 전술 핵무기를 냉전시대에 개발했다.
두 번째는 전면적 핵전쟁이다. 대량의 핵무기가 전국토적으로 사용된다. 민간인에 대한 공격도 포함한다. 이 유형의 전쟁은 적의 경제, 사회, 군사적인 모든 기반시설들을 공격하는 것이 목적이다.
현재 고려되는 것들
마셜제도의 콰잘렌 섬 미사일 시험장에서 LGM-118A 피스키퍼 미사일 시스템이 테스트 중이다. 사진의 광선들은 피스키퍼의 탄두이다. 1개의 피스키퍼 미사일은 10개의 핵탄두를 장착하고 있다. 이 탄두들은 각각의 목표물을 정해서 낙하한다. 각 탄두는 히로시마 핵폭탄의 25배 위력을 가지고 있다.
지역적 핵전쟁의 잠재적인 결과
2006년 12월 미국 지구물리연맹(AGU)의 연례 회의에서 발표된 연구결과에 의하면, 소규모의, 지역적인 핵전쟁은 제2차 세계대전의 전체 인명피해와 동일한 직접적 피해를 결과하며, 지구 기후환경을 십여년간 오염시킬 것이라고 한다.
이 시나리오는 두 적대국이 각각 50발의 히로시마급 핵폭탄(1발의 폭발력은 15킬로톤급이다)을 사용하여 인구밀집지대 등을 공격한 것으로서, 260만 명에서 1670만명의 희생자가 발생할 것으로 예상되었다.
또한 500만 톤의 먼지가 날리면서, 북아메리카와 유라시아의 넓은 지역에 걸친 냉각효과가 발생할 것이다. 연구자에 따라서, 수년간의 냉각효과는 대재앙을 가져올 수도 있을 것이라고 한다.
준전략적인 (sub-strategic) 사용
위에 언급한 예제들은 전략적 수준에서의 핵전쟁이다. 그러나 많은 핵보유국들은 더욱 더 제한적인 사용을 하는 경우도 가능하다고 보고 있다.
영국은 적에 대해서 한 발 또는 제한된 수의 미사일을 발사하는 것으로서, "전멸에 대한 경고"라는 정치적인 메시지를 보낼 수 있을 것이라고 본다.
이러한 방식으로 전략 핵무기를 사용하는 것은 전술 핵무기의 상호공격보다 더욱 더 제한적인 역할이 될 수 있다고 한다.
영국의 뱅가드급 잠수함은 이러한 목적을 위해 몇 발의 트라이던트 미사일을 장착하고 있다.
핵테러
이란이나 북한 같은 몇몇 국가들은 테러를 통해 간접적으로 적을 공격하기 위해 핵무기를 생산하거나 획득할 가능성이 있다. 최근의 북한 핵실험에 쓰인 기폭장치는 이러한 시나리오가 가능함을 시사하고 있다. 출처: 한국어 위키백과
핵무기 [nuclear weapon, 核武器]
핵분열이나 핵융합에 의해 엄청난 파괴력을 얻는 무기의 총칭.
핵무기 운반수단(미사일)과 핵탄두를 통칭하여 핵무기라고 하며, 핵반응 에너지를 동력으로 하는 원자력 잠수함 등은 핵무기에 포함되지 않는다. 에너지를 방출하는 주된 핵반응 여부에 따라 핵분열무기는 원자폭탄이라 하며, 핵융합무기는 수소폭탄이라고 한다.
핵분열무기의 역사
1930년대에 인공방사능을 발견한 이탈리아의 물리학자 엔리코 페르미는 당시 주기율표의 마지막 원소인 우라늄(원자번호 92)이 아닌 다른 물질을 발견했다는 결론을 내리고 이것들을 아우세늄(원자번호 93)과 헤스페륨(원자번호 94)이라고 명명했는데 그는 이 발견으로 1938년 노벨 물리학상을 받았다. 같은 해 독일의 오토 한과 프리츠 슈트라스만은 이 세 원소들 중 하나가 실제로는 바륨(원자번호 56)이라는 것을 발견했다.
1939년 1월 덴마크의 과학자 닐스 보어는 오스트리아의 망명과학자인 리제 마이트너와 그녀의 조카 오토 프리시와 함께 미국을 방문해 오토 한의 새로운 자료에서 발견한 놀라운 화학과정을 설명했다. 즉 저속 중성자가 우라늄 핵의 분열을 촉진하여 그것을 2조각 내고 그 2조각의 원자번호를 합친 것(바륨과 크립톤)이 우라늄 핵의 원자번호와 같게 된다는 것이었다. 그리고 이 분열과정에서 많은 에너지가 방출되었다.
보어는 이 문제를 가지고 프린스턴대학교의 존 휠러와 실험을 했다. 이들 두 과학자는 우라늄 동위원소인 우라늄-235(235U)가 핵분열을 하고 나머지 다른 동위원소인 238U은 중성자를 흡수할 뿐이라고 주장했다. 그리고 핵분열과정에서 중성자가 생성된다는 것이 발견되었다.
평균적으로 분열하는 원자는 2개 이상의 중성자를 생산했다. 그리고 이 중성자들이 연쇄반응을 일으켰다. 또한 특정상황에서 이 연쇄반응을 가속화시키면 놀라운 에너지가 방출되었다. 즉 가공할 파괴력을 가진 무기를 생산할 수 있다는 원리가 발견된 것이었다.
많은 과학자들은 이런 가공할 무기가 나치 독일에 의해 먼저 개발될 것을 우려했다. 그결과 당시 미국에 살고 있던 알베르트 아인슈타인이 프랭클린 D. 루스벨트 대통령에게 이 사실을 보고했고, 이어 루스벨트 대통령은 '우라늄 자문위원회'를 발족시켰다. 그뒤 미국에서는 컬럼비아·캘리포니아·시카고 대학교로 이어지면서 핵분열에 대한 연구와 실험이 계속되었다. 한편 우라늄 자문위원회는 1940년 6월 국방연구위원회의 한 분과로 개편되었고 1941년 12월에는 과학연구개발국(Office of Scientific Research and Development/OSRD)으로 이관되어 과학자인 배너바 부시가 국장으로 보임되었다.
1941년 12월 미국이 제2차 세계대전에 참가하면서 대규모 연구기금의 마련과 핵분열 물질의 확보 노력에 박차를 가하게 되었다. 1942년 5월에는 가능한 모든 핵무기 생산방법을 동원하겠다는 중대한 결정이 내려졌다. 과학연구개발국 국장인 부시는 생산공장 건설에 미국 육군도 가담해야 한다고 주장하여 육군 공병분과 내에 원자폭탄개발계획을 수행하는 특수임무의 관구가 설치되었다.
이에 따라 미국 공병단은 뉴욕 시에 새 사무실을 개설하고 그것을 맨해튼 관구(管區)라고 불렀다. 관구의 책임자로는 육군 준장 레슬리 그로브스가 임명되었다(→ 맨해튼 계획).
한편 1942년 12월 2일 페르미는 시카고대학교에서 행한 실험에서 연쇄반응을 성공시켰다. 당시 핵무기에 사용할 핵분열 물질로는 235U와 플루토늄-239(239Pu)가 고려되었다. 235U에 대해서는 천연 우라늄으로부터 분리하여 얻는 방법을 취했는데 1943년 E.O. 로렌스가 창안한 전자분리법이 테네시 주 오크리지에서 가동되기 시작했다. 그 다음으로 J.R. 다닝과 H.C.유리에 의해 실험에 성공한 기체확산법을 사용하는 거대한 분리공장이 오크리지에서 가동되기 시작했다.
한편 1942년 6월 조직개편의 일환으로 J.R. 오펜하이머가 실제로 핵무기 제조를 담당하는 기구인 프로젝트 와이(Y)의 소장이 되었다. 1942년 11월 16일 그로브스와 오펜하이머는 뉴멕시코 주 북쪽으로 100km 떨어진 지점에 있는 구(舊)로스앨러모스 학교 부지를 방문하여 그곳을 로스앨러모스 과학연구소 부지로 결정했다.
1942년 7월 실험에 의해 2가지 희망적인 사항이 발견되었다. 하나는 플루토늄이 235U에 비해 핵분열 때 더 많은 중성자를 방출한다는 것이었고, 다른 하나는 중성자의 방출시간은 핵분열 물질이 임계량(臨界量 critical mass : 중성자가 원자핵에 충돌하는 비율이 핵 표면으로부터 달아나는 비율보다 높아지는 양)을 초과하는 시간보다 짧다는 것이었다.
1943년 여름과 가을에 집중적으로 연구된 것은 포신 방법의 기폭(起爆) 기술이었다. 임계량 미만의 235U나 239Pu를 총신에 넣고 또다른 임계량 미만의 235U를 향해 발사시켜, 이 두 물질이 합쳐져 임계량을 초과한 뒤 중성자를 사용해 연쇄반응을 일으키게 하는 것이다.
그러나 이 포신방법을 플루토늄에 적용할 때는 문제가 발생했다. 원자로에서 238U로부터 239Pu를 만들어낼 때 239Pu의 일부는 중성자를 흡수해 240Pu이 되었다. 이 물질은 자동적으로 분열하여 중성자를 생산했다. 일부 중성자는 플루토늄 속에 이미 들어가 있다가 임계량을 초과하기 전에 이미 증가하기 시작했다. 그렇게 하여 플루토늄이 너무 일찍 폭발해 에너지 방출이 적었던 것이다.
포신방법을 지지하는 과학자들은 우라늄이 총신에서 빠져나오는 속도를 가속화함으로써 이 문제를 해결하려 했으나 실패했다. 그리고 결과적으로 더 나은 내파(implosion)방법이 고안되었다. 이것은 폭탄의 중심부에 있는 239Pu(235U)가 밀도가 작은 해면상태로 있고 그 주위를 둘러싼 폭약이 일제히 폭발하면 압축되었던 밀도가 급격히 커져 임계량을 초과하는 상태가 되어 폭발하는 방법이다.
1944년에 들어와 플루토늄을 핵무기에 사용하려면 내파방법을 쓸 수밖에 없다는 결론이 내려졌다. 1944년에 맨해튼 계획은 1년에 10억 달러를 소비했다. 그러나 기체확산공장도 완공되지 않았고 워싱턴 핸퍼드에 준공된 플루토늄 원자로 공장도 1944년에 1번 가동되었을 뿐 즉시 가동이 중단되었다. 플루토늄이 너무 일찍 중성자를 흡수하는 문제 때문이었다. 이와 같이 핵무기의 개발이 지연되자 유럽 전선에 투입될 예정이었던 핵무기가 일본으로 그 목표를 이동하게 되었다.
1945년 4월 12일 루스벨트 대통령 사후 그 뒤를 이은 트루먼 대통령은 전쟁장관 헨리 스팀슨으로부터 원자폭탄 개발상황에 대해 간단한 브리핑을 받았다. 그후 4월 25일 스팀슨은 그로브스의 도움을 받아가며 트루먼 대통령에게 더욱 자세하게 진행상황을 보고했다. 235U 포신폭발방법은 동결되어 있는 상태이며, 235U의 충분한 물량은 1945년 8월 1일쯤에나 확보할 수 있을 것 같다는 보고였다.
내파방식에 필요한 239Pu의 물량은 1945년 7월초 실험을 해볼 수 있을 정도로 축적되어 있다는 점도 설명했고, 8월에는 2차실험이 예정되어 있음도 보고되었다.
원자폭탄을 싣고 가기 위한 수송기로는 여러 대의 B-29기가 개조되었다. 그리고 일본에서 남쪽으로 2,400km 떨어진 지점 마리아나 제도의 티니안에 보조시설이 만들어졌다. 플루토늄 무기의 실험은 '트리니티'라고 명명되었다.
이 실험은 뉴멕시코 주의 중남부지역에 있는 앨러머고도 폭파실험장에서 실시되었다. 에너지 방출량은 TNT 1,000t 또는 4만 5,000t으로 추정되었으나 실제 방출량은 2만 1,000t이었다.
1945년 8월 6일 오전 8시 15분(현지시각) 에놀라 게이라고 명명된 B-29 폭격기가 일본 히로시마[廣島] 상공으로 날아가 실험되지 않은 포신형 235U 원자폭탄 리틀 보이를 투하했다.
이 폭탄은 살상효과를 높이기 위해 지상 680m의 공중에서 폭발되었다. 히로시마의 2/3가량이 파괴되었고 주민 35만 명 중 14만 명이 죽었다. 239Pu의 내파방식에 의한 원자폭탄(별명은 패트 맨)은 1945년 8월 11일 고쿠라[小倉]에 투하될 예정이었고, 8월말이나 9월초에 사용될 3번째의 원자폭탄이 미국에서 준비되고 있었다.
악천후를 피하기 위해 2번째 폭탄은 투하일이 2일 앞당겨졌다. 1945년 8월 9일 복스 카라고 명명된 B-29기가 목표지역인 고쿠라 상공을 10여 분 맴돌았으나 정확한 투하지점을 발견하지 못했다. 그 비행기는 예비 공격목표인 나가사키[長崎]로 날아가 오전 11시 2분(현지시각) 원자폭탄을 투하했다. 그 폭탄은 500m 상공에서 폭발했으며 파괴력은 21kt으로 추정되었다. 나가사키 시의 절반가량이 파괴되었고 주민 27만 명 중 7만 명이 죽었다.
원자폭탄의 구조
235U나 239Pu의 원자핵에 중성자가 충돌하면 핵은 분열하여 중성자를 방출한다. 1개의 핵분열로부터 방출된 중성자가 1개 이상의 별도의 핵을 공격해 분열반응을 일으키면 이 반응은 계속된다.
우라늄을 농축시켜 235U의 비율을 높이면 중성자가 235U의 원자핵에 충돌하는 확률이 높아진다. 또 전체의 양이 증가하면 부피에 비해 표면적이 줄어들기 때문에 중성자가 핵에 충돌하는 비율이 표면으로부터 달아나는 비율보다 높아지고, 이 비율이 일정수치 이상이 되면 분열반응은 지속적으로 진행된다. 이 일정수치를 임계량이라고 하는데 이 임계량은 235U의 순도와 밀도가 높으면 높을수록 작아진다.
폭발적인 반응을 일으키기 위해서는 임계량을 초과해야 하는데 포신식과 내파식의 2가지 방법이 있다. 미국에서는 대형 및 소형 원자폭탄이 1940년대말부터 1950년대초에 개발되어 1950년대 중반에는 실용화되었다. 소련에서도 거의 같은 형태의 개발이 이루어졌으며 대형 원자폭탄의 생산에 더 역점을 둔 것으로 알려져 있다(→ 색인 : 우라늄 235, 플루토늄 239).
수소폭탄의 개발
1949년 8월 소련이 최초의 원자폭탄 실험에 성공하면서 미국의 원자폭탄 독점시대는 끝났다. 그결과 미국은 소련이 수소폭탄의 개발에 성공할 것이라는 예상을 하고 핵에서의 우위를 점하기 위해 수소폭탄 개발에 박차를 가했다. 원자폭탄이 235U나 239Pu 등 무거운 원소의 원자핵이 분열할 때 방출되는 에너지를 이용하는 것인 데 비해 수소폭탄은 가장 가벼운 원소인 수소의 동위원소(중수소나 삼중수소)의 원자핵이 융합해 헬륨의 원자핵이 되는 순간 발생하는 에너지를 이용하는 것이다.
이 반응은 수천 만℃에 달하는 고온에서 일어나는데 이같은 고온상태를 만들기 위해서는 원자폭탄의 폭발력을 이용한다. 이때문에 수소폭탄은 핵융합폭탄 또는 열핵폭탄이라고도 한다(→ 핵융합).
1954년 3월 1일 미국은 비키니 환초에서 수소폭탄실험을 실시했는데, 핵융합 물질로 중수소화리튬을 사용했고 그 주위를 천연 우라늄의 댐퍼로 둘러쌌다. 이 실험에 의해 핵융합 반응으로부터 발생하는 높은 에너지의 중성자가 비분열성의 238U에 분열반응을 일으켜 큰 폭발력이 비교적 안정되게 얻어질 수 있음이 판명되었다.
이러한 종류의 수소폭탄에는 기폭용 원자폭탄의 핵분열반응 외에 다량의 댐퍼용 우라늄의 핵분열반응도 포함되는데 분열반응에 의해 방출되는 에너지는 전체의 50％ 이상이다. 이러한 수소폭탄은 기폭용 원자폭탄의 분열반응(fission), 중수소의 융합반응(fusion), 댐퍼 부분의 분열반응 등 모두 3단계에 걸쳐 반응이 일어나기 때문에 3F폭탄이라고 부르기도 한다.
핵폭발지점서 8키로 떨어진 해군군함,핵폭발의 파동으로 전복.
수소폭탄의 또다른 변형으로는 중성자탄을 들 수 있다. 이 폭탄은 방사선 강화탄두(强化彈頭)라고도 한다. 보통의 수소폭탄이 갖고 있는 폭풍과 열선(熱線)의 효과를 억제하여 즉발(卽發) 방사선, 특히 중성자선의 효과를 높여 잔류방사능을 감소시킨 핵무기이다.
중성자탄은 냉전시대 바르샤바 조약군의 기갑부대가 유럽을 침공할 경우를 예상해 미국이 개발한 무기이다. 미국은 현재 랜스 미사일(전술 미사일)과 8인치 포용 탄두를 실전배치하고 있는데 이것들은 1kt 정도의 위력을 갖추고 있다. 소련과 프랑스도 제조능력이 있는 것으로 알려져 있으나 실전배치는 불분명하다. 중성자탄은 핵융합 반응을 이용한 소형 수소폭탄으로서 특히 중성자의 방출을 증대시킨 구조가 그 특징이다(→ 전술무기체제).
지금까지 실험된 수소폭탄으로서 위력이 가장 큰 것은 1961년 10월 30일에 실험된 소련의 58Mt급이다. 이것은 댐퍼 부분에 우라늄을 사용하지 않고 납을 쓴 고급 폭탄이다. 1963년 부분적인 핵실험금지조약이 맺어지기까지 미국과 소련 두 나라는 고공·공중·지표·지하·수중에서 각종 실험을 하여 수소폭탄의 개발과 성능 향상에 커다란 노력을 경주했다. 그러나 핵실험금지조약이 발효되고 난 이후 양국은 지하실험밖에 할 수 없게 되었다.
미국은 1971년 11월 6일 알류샨 열도에서 최대의 지하폭발(5Mt)을 실험했다. 현재 실용화되어 있는 무기의 폭발력을 살펴보면 소형의 경우 TNT 화약 수십t에 상당하는 규모부터 대형은 25Mt에 이른다. 당초에는 대형이 수십kt 규모였으나 지금은 Mt급이 되어야 대형이라고 할 수 있다. 그러나 실전배치를 위한 수십kt 규모의 수소폭탄도 제조된다. 이 무기는 운반형태에 따라 폭탄, 미사일, 로켓 탄두, 포탄, 지뢰, 기뢰, 어뢰두부 등 육·해·공의 모든 무기에 장착되어 사용될 수 있다(→ 색인 : 다핵탄두).
핵폭발의 효과
개요
핵이 폭발하면 충격파(폭풍), 열선, 방사선, 전자 펄스(electromagnetic pulse/EMP) 등이 발생하는데 그 효과는 지표면과 폭발점의 상대적 위치에 따라 달라진다. 통상 핵폭발 형식은 고공폭발·공중폭발·지표폭발·지하폭발·수중폭발 등으로 나누어볼 수 있다. 고공폭발은 3만m 이상의 고공에서 폭발하는 것으로 이 높이에서는 공기의 밀도가 낮아 폭풍효과가 약하다. 그러나 광범위한 전자 펄스와 오로라 효과를 일으킨다.
공중폭발은 3만m 이하에서의 폭발로 불덩어리가 지표에 직접 닿지 않는 경우이다. 지표폭발은 실제의 폭발점이 지상이거나 또는 지상에 가까운 상공으로 불덩어리가 지표에 닿는 거리에서의 폭발이다. 이 경우 대량의 지표물질이 방사능 구름에 휩싸이면서 상승하기 때문에 방사능 낙하물에 오염되는 문제외에 폭풍효과도 고도에 따라 달라진다.
지하폭발과 수중폭발은 땅이나 바다 밑에서 폭발하는 것으로 그 심도가 깊을 경우 폭발의 충격 에너지가 대부분 물 밑이나 지표면 밑에서 흡수된다. 그러나 폭발심도가 얕을 경우 에너지의 일부가 지표면이나 수면 위로 흘러나와 폭풍을 만들며, 열선·방사선의 일부가 지상에 나타나 비교적 단거리의 대기 중에 흡수된다. 이렇게 되면 국지적으로 강한 잔류 방사능이 남게 된다.
불덩어리(fireball)
핵폭발은 폭약과 비교해볼 때 소량의 핵분열물질 또는 핵융합물질이 매우 짧은 시간에 막대한 에너지를 방출하여 일어나는 것이기 때문에 대단히 높은 온도에서 이 에너지가 방출된다.
통상 폭약의 경우는 최고온도가 5,000K(켈빈) 정도로 알려져 있으나 핵폭발시에는 수천 만K에 이르는 것으로 추정된다. 바로 이것이 방출 에너지의 배분을 보통 폭약과는 다르게 하는 점이다.
핵폭발 후 1ns(나노초, 1/109초) 이내에 초고온화된 핵무기 잔재는 주로 X선의 형태로 대량의 에너지를 방출하는데 공중폭발시 이 X선은 1m 이내의 공기에 흡수되어 극도로 뜨거운 공기와 기화된 잔재가 밝게 빛나는 공 모양의 불덩어리를 형성한다.
불덩어리는 방사선과 열선을 계속 방출하고 급속히 팽창한 뒤 서서히 냉각되면서 상승하는데 이때 공기의 저항을 받아 도넛형으로 변형되어 버섯 형태의 방사성 구름(mushroom cloud)을 형성한다. 불덩어리의 내부에서는 고온에 의해 생긴 기체의 급팽창으로부터 충격파가 발생하여 바깥쪽으로 진행한다. 이어 불덩어리는 충격파면의 진행과 같은 방향으로 같은 속도로 팽창하지만 불덩어리의 온도가 3,000℃까지 떨어지면 충격파면은 불덩어리로부터 이탈하여 강력한 폭풍이 되면서 바깥쪽으로 확대되어 나간다.
20kt의 핵폭발시 이같은 이탈은 핵폭발 후 약 0.011초 뒤에 일어난다. 충격파는 이탈 직전 주위의 공기에 충격가열을 주면서 8,000℃ 이상의 고온이 된다. 이같은 고온의 공기층은 가시광선을 투과하지 않기 때문에 불덩어리는 일시적으로 외부에서 보이지 않게 된다.
열선
불덩어리는 자외선·가시광선·적외선의 파장영역을 갖는 전자파를 방출한다. 이것을 열선이라고 하는데 광범위한 지역에 소이(燒夷)효과를 일으킨다. 특히 위력이 큰 핵폭발의 경우 이 열선에 의한 피해범위는 그 어떤 것보다 크다. 열선으로 방출되는 핵 에너지는 핵폭발 전 에너지의 약 35％에 해당한다. 지상에 도달하는 열선 에너지의 비율은 폭발점부터 지상까지의 거리 및 대기의 상태에 따라 달라진다.
공중폭발의 경우 불덩어리가 일시적으로 외부에서 관찰되지 않을 때 열선에는 2개의 펄스가 생긴다. 제1열선 펄스는 1Mt의 폭발시 1/10초 동안 짧게 파동치는데 이때 열선의 대부분은 자외선 영역에 들어가게 된다.
이 펄스는 전(全)열선의 1％ 정도에 해당하는 에너지를 차지하고 있다. 따라서 화상(火傷)의 측면에서 본다면 방출 에너지는 공기층에 흡수되기 쉬운 자외선 성분이기 때문에 안구(眼球)에 피해를 입히는 정도이며, 피부에 화상을 일으키는 경우는 적다.
제2열선 펄스는 수초 간 계속되는데 1Mt일 경우는 10초, 10Mt일 때는 20초 이상이다. 이때 전열선 에너지의 99％가 방출된다. 지표에 도달하는 열선의 파장은 적외영역에 있기 때문에 육안으로 보인다. 이 제2열선 펄스는 생체의 피부에 화상을 일으키고 목재·섬유제품·종이 등의 가연성 유기물을 태워 탄화시키며 때로는 발화시키기도 한다. 1Mt의 폭발시 19km 떨어진 지점에서 열선에 노출되어도 피부는 섬광화상을 입는다고 한다.
폭풍
공중과 지표에서 폭발이 일어날 때 입는 물적 피해는 대부분 폭풍에 기인하는 것이다. 불덩어리의 표면으로부터 이탈한 충격파는 급속히 바깥쪽으로 넓어지면서 고도로 압축된 공기의 벽과 같이 작용한다. 350㎏f/㎥ 과압(過壓) 이상의 폭풍에는 지상의 구조물이 엄청난 피해를 입게 된다.
폭풍파가 지표면에 부딪치는 순간 반사파가 발생하여 직접파와 반사파가 중합해 마하 효과가 발생하며, 일반적으로 직접파의 2배에 해당하는 과압을 나타내는 마하 축을 형성한다. 마하 축의 통과와 더불어 지상의 건물은 지면과 평행한 폭풍의 충격을 받게 된다. 그후 불덩어리의 급속한 상승에 따라 강한 상승기류가 생기기 때문에 폭풍과 역방향으로 부는 지상풍(地上風)이 일어나게 된다.
이 지상풍의 속도는 폭심(爆心) 지점이 100㎧ 정도 되기 때문에 대단히 큰 피해를 가져온다. 수중폭발의 경우는 바다의 깊이에 따라 효과가 달라지는데 일반적으로 물 속에서의 폭압(爆壓) 전파는 양호하여 잠수함 등에 대한 파괴효과가 높다.
방사선
핵폭발은 방사선을 수반하는 것이 커다란 특징이다. 통상의 핵폭탄에서는 폭발 에너지의 약 15％가 방사선의 형태로 방출된다. 이중 5％가 폭발 후 1분 이내에 발생하는 초기방사선이고 나머지 10％는 잔류방사선이다.
중성자폭탄의 경우에는 폭발 에너지의 약 35％가 방사선으로 방출되며, 이중 30％가 초기방사선이다. 초기방사선은 중성자와 알파선·베타선·감마선으로 되어 있는데 알파선과 베타선은 투과력이 약하기 때문에 공중폭발의 경우 지상에 도달하지 않는다. 따라서 중성자와 감마선만이 고려의 대상이 된다.
이들 방사선이 생체에 흡수되면 방사선 장애를 일으킨다. 잔류방사선은 불덩어리의 급속한 상승에 의해 형성된 방사능 구름이 지표에 내리뿌리는 방사능낙진(fallout), 또는 죽음의 재에 의해 방사된다.
방사능낙진을 형성하는 것은 핵분열 생성물, 미반응의 핵분열물질 및 핵폭발시의 중성자 등이 일으키는 유도방사능을 포함하는 물질이다. 미반응의 핵분열물질로부터 나오는 알파선을 빼면 베타선과 감마선이 잔류방사선이 된다.
방사능낙진은 폭발 후 1일 이내에 강하하는 초기 방사능낙진과 그 이후에 강하하는 후기 강하물로 나누어진다. 지상폭발의 경우는 초기 방사능낙진이 커다란 영향을 미치고 고공폭발의 경우에는 후기 방사성 강하물이 더 큰 파급효과를 미친다.
핵분열 생성물은 36종의 원소에 300종 이상의 동위원소를 포함하는 1kt의 폭발당 약 3×1010Ci(퀴리)의 방사능이 된다. 이 방사능 중 수명이 긴 세슘-137(137Ce : 반감기 약 30년)이나 스트론튬-90(90Sr : 반감기 약 28년) 등은 상당히 오랜 기간 동안 지표에 남아 있다.
방사성 잔류물이 갖고 있는 외부조사(外部照射)의 효과보다는 오히려 방사성 물질이 소화기, 호흡기, 피부의 상처 등을 통해 체내에 들어가 체내의 기관에 침착하여 방사하는 내부조사(內部照射)의 영향이 중대한 위험이 되고 있다.
전자 펄스
핵폭발에 의해 생기는 방사선은 대기와의 상호작용에 의해 수kHz나 수백MHz에 이르는 광역대의 주파수 성분을 가진 순간적인 전자파의 펄스를 발생시킨다. 이 전자 펄스는 핵폭발과 거의 동시에 최대값에 달하여 그후 천천히 감소한다.
일반적으로 전자장의 변화는 도체 내에 유도기전압(誘導起電壓)을 일으켜 도체 내에는 과도전류가 흐르게 된다. 특히 전자회로에 순간적으로 과대한 전류가 흐르게 되어 전자장치가 손상된다. 그리고 이 효과는 폭풍과 열선이 미치지 않는 원격지에까지 순간적으로 미칠 수도 있다.
예를 들면 1962년 존스턴 섬에서 미국의 고도 핵폭발실험이 실행되는 순간 1,300km 떨어져 있는 하와이 오하우 섬의 가로등 30개가 일제히 꺼져 호놀룰루 시내에 준비된 수백 개의 도난경보가 일제히 울리기 시작했고, 전선의 전류차단기가 가동되는 사고가 발생했던 일이 있다.
전자 펄스의 발생은 핵반응에 의한 초기 방사선에서 기인하는 것이다. 초기 방사선과 그 전리(電離)작용이 폭발 주변의 공기를 이온화시켜 전리영역을 형성한다. 이것이 완전한 공 모양의 대칭형으로 형성된다면 전자 펄스는 생기지 않는다. 그러나 지표폭발 때 전리영역은 거의 반구형으로 형성되어 전체적으로 전자류가 위를 향하게 되는데 이 전자류에 대항하여 강한 좌회전의 자장이 발생한다. 이때문에 폭발지점 가까운 곳에는 강한 전자 펄스(수백 내지 수천kV/m)가 발생한다.
중간고도의 폭발 때는 고도에 의한 공기밀도의 차이와, 핵폭발의 방향 등에 따라 일정하지 않지만 공기 중에 포함되어 있는 수분의 분포 차이 때문에 전리영역은 구형으로 형성되지 않는다. 따라서 전자 펄스가 발생하기는 하지만 지상에는 아주 약한 전자 펄스밖에 도달하지 않는다.
전자 펄스의 영향이 아주 큰 것은 높은 고도 폭발의 경우이다. 이 경우 하강하는 최초방사선은 지구를 감싸고 있는 공기층의 밀도가 두터워지는 고도에 이르면, 볼록 렌즈형의 넓은 전리영역을 형성한다. 따라서 Mt급의 폭발시 지(수)평선의 범위까지 전자 펄스의 효과가 미치게 된다.
전자 펄스 중 주파수대가 낮은 것에는 지(수)평선을 넘어서 번져나가는 것도 있다. 만약 미국 상공 320km 지점에서 Mt 급의 핵폭발이 일어난다면 미국 전역과 캐나다 및 멕시코의 일부에까지 강한 전자 펄스의 충격이 미치게 될 것이다.
탄도 미사일 시스템, 위성 시스템, 항공기 시스템 등 많은 종류의 무기가 전자기기를 이용하기 때문에 전자 펄스는 큰 위협이 된다. 전자 펄스에 대한 대비책으로는 각종 무기 시스템에 전자 펄스의 전장이 미치기 않도록 전기적으로 차단하는 것이 제일이다. 또 광섬유는 전자 펄스의 영향을 받지 않는다.
그밖의 효과
핵폭발에 의해 발생한 방사선이 대기를 전리시켜 전자밀도를 증가시키기 때문에, 고공폭발의 경우 지자기(地磁氣)의 영향으로 인공 오로라가 발생한다. 또 공기 중의 분자·원자 등에 자극을 가해 대기의 형광(螢光)현상을 일으키기도 한다.
통신이나 레이더에 사용되는 파장 1㎜ 이상의 전자파는 대기의 전리상태에 좌우되는 경우가 많다. 따라서 대기 중의 핵폭발은 전자파의 전파(傳播)에 여러 가지 교란현상을 일으킨다. 단파통신의 경우 65km의 고도에서 핵폭발이 일어나면 여러 시간에 걸쳐 통신이 완전히 단절되는 블랙아웃(blackout)이 일어난다.
각국의 핵개발
소련
제2차 세계대전 전부터 소련은 원자폭탄연구를 진행시켜왔다. 1940년 6월 소련 과학원은 우라늄 위원회를 설치하여 원자폭탄문제를 연구했다. 그러나 1941년 6월 독일이 소련을 침공하자 연구는 중단되었다.
1943년 스탈린은 연구의 재개를 지시했고 1944년말에는 상당수준까지 진행되었다. 1945년 8월에는 비밀경찰의 총수 베리아를 수반으로 하는 연구 팀이 발족되었다. 소련의 제1회 실험은 1949년 8월 29일에 실시되었으며 위력은 10~20kt이었던 것으로 알려졌다.
1953년 8월 12일에는 200~400kt의 수소폭탄실험에 성공했다. 1961년에는 58Mt 급의 실험에 성공한 것으로 전해졌다.
영국
제2차 세계대전중 영국은 원자폭탄의 연구에 착수했으나 전쟁상황의 형편상 자국에서의 개발을 단념하고 미국과 협력했다. 그러나 전쟁이 끝나면서 연구를 재개하여 1945년 10월 하웰에 원자력연구소가 설치되었고, 1946년 1월에는 핵분열성물질 생산이 결정되어 그 다음해인 1947년 9월 공장의 건설에 착수했다.
이렇게 하여 플루토늄 생산설비, 농축 우라늄 설비, 무기조립공장이 건설되었다. 윈즈켈의 플루토늄 생산원자로는 1950년 7월 가동되었다. 여기에서 생산된 플루토늄을 가지고 1952년 10월 오스트레일리아의 몬테페로 섬에서 제1회 실험에 성공했고, 1957년 5월에는 남태평양의 크리스마스 섬에서 Mt급의 수소폭탄 공중투하 폭발실험에 성공했다.
그후 미국과의 원자력협정이 개정되어 수소폭탄의 소형 경량화 기술을 도입하여 폴라리스(잠수함 발사의 전략 탄도 미사일)용 탄두를 자체 개발했다. 이렇게 하여 영국의 핵전략 억지력의 최종적 관리권은 영국정부가 갖게 되었다.
프랑스
프랑스는 제2차 세계대전의 종료 직후 원자력위원회를 설치했고, 1947년 연구용 원자로의 건조에 착수하여 1948년 12월에 가동시켰다. 그
러나 원자력 이용개발이 본격적으로 이루어지게 된 것은 1953~57년의 5개년계획 이후의 일이다. 이 계획 중에 마르쿠르 지역에 플루토늄 생산로 건설이 들어 있어 1호로(爐)는 1955년, 2, 3호로는 1958년에 완성되었고, 그결과 1960년 2월 사하라 사막의 실험장에서 제1회 원자폭탄실험이 행해졌다. 원료는 마르쿠르 공장에서 생산된 플루토늄으로서 폭발위력은 TNT 화약 60~70kt에 상당하는 것이었다.
또 1960년까지의 소요경비는 2억 4,000만~3억 6,000만 달러가 들었다고 한다. 1960년부터 피에르라트에 농축 우라늄 공장을 건설하여 1964년부터 저농축 우라늄의 생산을 개시했고 1967년부터 수준급의 고농축 우라늄을 생산하고 있다. 핵 실험은 당초 사하라 사막에서 행해졌으나 그뒤 300kt 급의 열핵물질을 포함하는 강화원자폭탄에 집중하여 1966년 8월에는 2Mt급의 열핵장치의 실험에 성공했다.
중국
중국은 1955년 소련과 원자력 평화이용에 관한 협정을 맺어 원자력 개발 이용에 나섰다. 중국은 1957~59년에는 국방신기술에 관한 중소협정이 체결되어(1959 파기) 부분적이기는 하지만 핵무기에 관한 지식과 기술을 소련으로부터 흡수할 수 있었다. 중소대립의 격화와 함께 독자적 개발에 나선 중국은 1964년에 란저우[蘭州]에 우라늄 농축공장을 완성했다.
1964년 10월에는 제1회 원자폭탄실험에 성공했고 1967년 6월에는 3Mt급의 수소폭탄실험에 성공했다. 또 1966년 10월에는 미사일을 사용한 수소폭탄(실험위력 20kt으로 추정)에도 성공했다.
기타 국가
1974년 5월 18일 인도가 포코란 근처의 라자스탄 사막에서 원자폭탄실험을 실시한 것으로 알려졌는데, 그 폭발력은 15kt이었다고 한다. 그러나 인도는 실험만으로 만족했고 그이후 실전배치의 핵무기는 제조하지 않았다.
파키스탄도 평화용의 핵시설을 가지고 있다고 주장했으나 핵무기를 제조할 수 있는 기반시설을 갖추고 있는 것으로 알려졌다.
다른 여러 나라들도 핵무기를 제조했거나 단시일 내에 핵무기를 만들 수 있는 시설을 갖춘 것으로 보인다. 이스라엘은 수소폭탄을 비롯해 200여 기의 핵무기를 제조한 것으로 알려졌다.
1988년 남아프리카 공화국의 외무장관은 자국이 원하기만 한다면 핵무기를 제조할 수 있는 능력이 있다고 말했다. 그밖에도 아르헨티나·브라질·한국·타이완 등이 핵무기를 개발·생산할 수 있는 과학적·산업적 기반을 갖추고 있는 것으로 알려졌으나 실제적인 개발계획은 없는 것으로 판명되었다. 한편 북한은 부분적인 핵시설을 갖춘 것으로 알려져 있다(→ 핵전략 ).
핵무기의 규제
이 문제는 제2차 세계대전 직후부터 국제연합(UN)에서 계속적으로 심의되어왔다. 그러나 1950년대에는 아무런 성과가 없다가 구체적 성과가 드러난 것은 1963년 이후 미·소 공존체제가 성립되면서부터이다. 그러나 이 체제에 의해 얻게 된 것은 핵무기의 실험제한, 핵확산방지 등 부분적인 조치로서 핵군축을 의미하는 것은 아니었다.
미·소 간에 결정된 사항은 3가지로 나누어볼 수 있다. 첫째, 미·소 양국간의 결정사항으로서 핵전쟁의 회피 및 핵군비경쟁의 상호조정을 의미하는 것이었다. 솔트(SALT)-1(제1차 전략무기제한협상)의 2가지 결정사항(1972)과 솔트-2(1979, 미발효)가 그것이다.
미·소는 또 1981년에는 유럽 중거리핵전력제한협상을, 또 1982년에는 전략무기삭감교섭(START)을 개시했다. 2번째 결정사항은 핵무기 보유국 증가방지를 주된 목적으로 하는 것으로서, 핵확산금지조약(1968)이 대표적이며 그외에 부분적 핵실험금지조약(1963), 라틴아메리카 핵무기금지조약(통칭 토라테로르코 조약, 1967) 등도 조인되었다.
3번째는 군사적 목적으로 이용하기가 어려운 특정 공간에 핵무기를 배치하는 것을 금지하는 결정이다. 남극조약(1959), 천체에 핵무기를 설치하고 지구 주위의 궤도에 핵무기를 탑재한 물체를 쏘아올리는 것을 금지하는 우주천체조약(1967), 해저군사이용 금지조약(1971) 등이 여기에 해당한다(→ 색인 : 국제관계).
한편 민간 베이스에서도 핵무기규제운동이 전개되어왔다. 1948년 8월 폴란드의 브로추아프에서 열린 '평화를 지키는 세계지식인 회의'는 민간인으로서는 처음으로 원자폭탄의 사용금지를 의결한 것이었다.
1950년 3월 평화옹호 세계대회 위원회는 원자무기의 무조건금지를 요구하는 스톡홀름 호소를 발표해 전세계에서 서명운동을 벌였다. 1976년 미국이 중성자탄을 유럽에 배치하는 문제를 검토하는 것을 계기로 하여 네덜란드에서는 새로운 핵무기반대 대중운동이 시작되었고 이것은 유럽 전역에 퍼져나갔다. 1981년 가을 핵전쟁을 실감하고 있던 유럽 시민들은 핵무기 반대, 핵전쟁억지의 대규모 대중운동을 벌였다.
또한 1982년의 가을에는 뉴욕 시에서 100만 인파가 운집한 가운데 대규모 반핵 대중운동이 벌어졌다 출처: 브리태니커
공중 핵폭발(空中核爆發) atomic airburst
폭발에 의해 생긴 화구가 최고의 광도에 이르렀을 때에도 화구의 외주가 지표에 닿지 않을 정도의 높이에서 핵무기를 폭발시키는 것.
지표핵폭발(地表核爆發) atomic surface burst
핵폭발에 의해 생기는 화구가 지표 또는 해면에 닿을 정도의 높이에서 행해지는 핵폭발.
수중핵폭발(水中核爆發) underwater burst
핵무기의 중심부를 수면 아래에 위치시킨 핵폭발 형태.
핵실험 [nuclear weapon test, 核實驗]
핵무기 개발을 위해 핵폭발을 실시하는 일.
1945년 7월 16일 미국이 뉴멕시코 주 앨러머고도 사막에서 세계 최초로 원자탄 폭발실험을 실시한 이래, 1983년말까지 약 1,400회의 핵실험이 실시되었다.
1974년 인도가 행한 핵실험은 평화목적 때문인 것으로 발표되었지만, 현단계에서 군사목적의 핵실험과 평화목적의 핵실험을 구별하는 것은 불가능하다.
이들 핵실험의 목적은
① 핵폭발 및 핵폭발장치의 물리학적 연구,
② 핵무기의 성능과 개선,
③ 핵무기의 효과 조사,
④ 새로운 핵무기의 유효성 확인,
⑤ 핵무기의 새로운 군사적 사용법의 실험,
⑥ 저장 핵무기의 성능 유지,
⑦ 연구소와 공장의 기술수준과 인원유지,
⑧ 핵무기가 안전보관기준에 알맞은가의 실험,
⑨ 다른 핵무기 보유국에 대한 위협 및 견제,
⑩ 핵무기를 사용하는 전술·전략 사상의 기초확립 및 핵무기 시스템의 개발이라고 추정된다.
1950년대초 열핵무기의 개발은 핵실험경쟁을 격화시켰다. 1961년 10월에 소련은 폭발위력이 TNT 화약 58Mt으로 추정되는 핵실험을 실시했다. 이것은 이제까지 행해진 실험 중 가장 최대 규모의 폭발이었다. 또 핵실험에 의한 방사성 강화물의 전지구적 오염이 뚜렷해지면서 핵실험방지 논의가 전세계에 강하게 대두되었다.
1954년 10월 인도의 네루 총리가 국제연합(UN) 정치위원회에서 핵실험 휴지협정을 호소한 이래, 이 문제는 UN의 의제 가운데서도 중요한 검토대상이 되었다.
1968년 미국·영국·소련 3국이 '부분적 핵실험 정지조약'에 조인해 대기권내·우주공간·수중에서의 핵실험이 금지되었다. 그러나 지하핵실험만은 허용되어 이후 핵실험의 대부분은 지하에서 행해지게 되었다. 부분적 핵실험 정지조약은 대기권 내의 방사능을 없애는 것에 도움이 되긴 했지만, 핵무기의 개발 또는 핵실험의 횟수·위력에 대해서는 제한효과가 전혀 없었다.
이 조약의 조인이 있기까지 세계에서 488회의 핵실험이 실시되었다. 연평균 실험횟수는 약 27회였다. 조약 조인 후 1983년까지 935회의 핵실험이 실시되었으며, 연평균 횟수는 약 47회로 증가했다. 또 지하에서는 대규모의 핵실험은 실시되지 않았다고 할 수 있지만 실험굴을 뚫는 기술의 진보 등에 따라 미국에서는 앰치트커 섬에서 1969년 10월에 1.5Mt, 1971년 11월에는 5Mt의 지하 핵실험을 실시했다.
1954년 3월 1일 미국이 비키니 환초에서 실시했던 수소폭탄실험에서는 폭발지점에서 150㎞ 떨어진 곳에서 조업하던 선원들이 방사능 장애를 일으키는 결과가 발생했다. 또 반복되는 핵실험으로 방사성 물질이 성층권까지 올라가 전세계에 위험을 초래하는 것이 밝혀졌다.
1956년 UN은 '방사선 영향 과학위원회'를 설치하고 이 문제의 검토를 계속했다. 이 위원회가 1977년 UN 총회에 제출한 보고서에 의하면, 76년까지 행해진 모든 핵실험에 의해 약 145Mt 위력의 방사성 물질이 지구 전체에 확산되었다고 추정된다. 이에 따라 세계의 주민이 받아들인 방사선량은 약 120mrd(밀리래드, 1mrd=10－5그레이)로 평가되었다.
또 1980년 9월 발트하임 UN 사무총장이 제출한 〈핵무기의 포괄적 연구〉라는 보고서에서는 과거의 모든 대기권내 핵실험은 전세계에서 약 150만 명의 죽음을 앞당긴 것으로 추정되며, 그중 90％는 북반구에서 일어난 것이라고 술회했다.
부분적 핵실험 정지조약이 체결되었을 때, 이것을 전면적인 것으로 할 수 없었던 이유는 핵실험의 검증, 특히 현지사찰의 세부에 대해서 합의가 도출되지 않았기 때문이었다. 1965년 18개국 군축위원회에서 스웨덴은 지하핵폭발탐지를 위한 '국제핵실험탐지 그룹'을 제안하고, 그후에도 전문가가 참가한 비공식회의 등에서 지진학적 방법 등에 의한 탐지 기술을 개발하는 등 실질적인 노력을 계속해왔다.
1977년 7월부터 미국·영국·소련 3국은 포괄적인 핵실험 금지협정의 3국간 교섭을 시작했지만, 1982년 6월의 UN 군축특별총회에 그 조약문은 보고되지 않았다. 오늘날 전세계는 무분별한 핵실험이 머지 않은 장래에 인류와 지구 전체에 치명적인 손상을 가져오리라는 것에 인식을 같이하고 있다. 그에 따라 상호간 견제의 목소리가 높지만, 강대국의 핵실험을 봉쇄할 수 있는 수단이 마련되지 않은 채 아직도 핵무기 보유국에서는 필요에 따라 핵실험이 자행되고 있다.
핵겨울 [nuclear winter]
일부 과학자들이 주장하는, 핵전쟁시에 수많은 핵폭발로 발생할 수 있는 환경 파괴.
핵폭발에 의해 발생하는 빛·열·돌풍·방사선 파괴 효과는 오래전부터 과학자들에게 알려져왔지만, 환경에 대한 폭발의 간접적인 효과는 수십 년 동안 거의 무시되어 왔다. 그러나 1970년대에 몇몇 연구자들은 해로운 태양 자외선 복사로부터 생물체를 보호해 온 성층권의 오존층이 핵폭발에 의한 다량의 질소산화물에 의해 파괴될지도 모른다고 주장했다.
더 나아가 이러한 연구들은 핵폭발에 의해 대기 중으로 확산된 많은 양의 먼지가 햇빛이 지표면에 도달하는 것을 차단함으로써, 대기의 일시적인 냉각을 가져올지도 모른다고 추측했다. 곧이어 과학자들은 핵폭발시 떨어진 불덩어리에 의해 거대한 삼림이 타서 발생하는 연기를 고려하기 시작했다.
1983년 TTAPS 연구(이 연구의 창시자인 R. P. 투르코, O. B. 툰, T. P. 아커만, J. B. 폴락, C. 자간의 성의 첫 글자에서 따옴)는 핵으로 황폐화된 도시에서 석유 연료와 플라스틱이 타서 발생하는 매연과 그을음을 고려했다(그러한 물질이 타서 생긴 연기는 나무가 타서 생긴 연기보다 훨씬 더 햇빛을 많이 흡수함). TTAPS 연구는 '핵겨울'이라는 용어를 만들어냈고, 이 연구를 통한 핵전쟁의 환경효과에 대한 불길한 가설은 미국과 소련 과학단체들의 집중적인 연구 대상이 되었다.
연구자들의 가설에 따르면, 핵겨울의 근본적인 원인은 핵탄두를 폭발시킴으로써 생기는 수많은 거대한 불덩어리들이다. 이들 불덩어리는 범위 내에 있는 모든 도시와 삼림에 거대한 불(불바람)을 붙이게 될 것이다. 이러한 화재로부터 거대한 연기·그을음·먼지의 구름이 일어나고, 그 자체의 열에 의해 높은 고도까지 상승하여 지표로 다시 떨어지거나 씻겨 내려갈 때까지 몇 주일 동안 표류하게 된다.
이러한 수억t의 연기와 그을음은 강한 동서 방향의 바람에 의해 위도 30~60°범위의 북반구를 에워싸는 균일한 띠를 형성하기도 한다. 이러한 두꺼운 검은 구름은 몇 주일 동안 거의 모든 햇빛을 차단시킬 수 있다. 그결과 지표의 온도는 몇 주 동안 아마도 11~22℃만큼 떨어지게 될 것이다. 어스름, 된서리 및 영하의 기온과 같은 상태가 핵의 낙진에서 생기는 많은 방사선과 결합하여, 식물의 광합성을 방해하고 결국은 지구 대부분의 동식물이 절멸하게 될 것이다.
혹한, 고준위(高準位) 방사선, 광범위한 산업·의료 시설의 파괴, 식량공급, 농작물의 파괴와 함께 수송 기반의 파괴는 기아·헐벗음·질병으로 인한 대량의 사망자를 낼 것이다. 따라서 핵전쟁은 지구의 인구수를 이전에 비해 훨씬 감소시킬 것이다. 수많은 과학자들이 이러한 예측 결과에 반론을 제기하고 있으며 핵전쟁이 명백히 파괴적이라고 할지라도, 지구상 생명체에 대한 재해의 정도는 여전히 논란의 여지로 남아 있다.
포괄적핵실험금지조약 [CTBT, 包括的核實驗禁止條約]
모든 핵폭발 실험을 금지해 새로운 핵무기개발과 기존 핵무기의 성능 개선을 막기 위한 조약. 96년 9월 유엔총회에서 조약안이 채택됐으며 5대 핵강국인 미국 러시아 중국 영국 프랑스를 포함해 154개국이 서명했다. 조약은 발전용 또는 실험용 원자로를 보유하고 있는 국가라고 지명한 전세계 44개국중 영국과 프랑스 등 26개국이 비준했으며 인도 파기스탄 북한은 비준은 물론 서명조차 하지 않았다. 한국은 서명과 비준을 모두 마쳤다. CTBT에 반대하는 국가들은 핵무기 감축이 선행되지 않을 경우 핵보유국의 기득권만 보장한다고 비판한다.
서울시 핵폭발 가상 시나리오
1mt 규모의 핵폭탄이 터졌을 경우의 가상 시나리오입니다.
1mt으로 정한건 일반적인 전략 핵폭탄의 기본 크기이며, 말 그대로 전략 핵폭탄인 만큼 도시들을 겨냥하고 있기 때문입니다.
80년대에 충격적인 미니씨리즈입니다.. 미국 ABC방송국에서 만든 그날이후(The Day After)라는 이 미니씨리즈
사람들이 엑스레이를 찍듯 해골이 나오면서 증발 하는 장면이 큰 충격입니다.
사람이 저렇게 죽을 수 도 있구나 한 순간에 사라진다는 자체가 공포입니다.
이 미니씨리즈는 80년대 냉전이 극을 치닫던 시절 미국과 소련의 핵전쟁을 다룬 미니씨리즈입니다.
상당히 적나라하게 핵전쟁을 담은 미니씨리즈입니다
"오후 1시 서울시 중구 서울시청상공 ( 2500고도 ) 에 1mt전략핵폭탄 직격"을 가정해 보았을때
(1) 열복사
서울시청을 중심으로 반지름 약 3km의 거리의 모든 것이 폭발과 동시에 증발합니다.
경복궁, 서울역, 을지로, 종로, 동대문, 연세대학교, 숙명여대, 용산 구청, 북한산 국립공원 일부가 태양의 약 1000배의 열로 약 1~2초간의 빛의 방출로 인해 불에 타는 것이 아니라 순식간에 증발해버립니다.
피해자들은 자신이 죽는지도 핵폭발이 일어났는지도 느낄 수 없습니다. 그냥 밝은 빛이 카메라 후래쉬 터지듯 반짝한 후 동시에 증발입니다. 그리고 이 지역은 폭발에 의한 화구를 생성하게 됩니다.
그와 동시에 전자장펄스(EMP)에 의해 서울 및 기타 인근도시의 모든 전자장비 및 자동차 심지어 여러분의 손목시계까지 모두 작동을 멈춥니다.또한 약 7~9km 떨어져있는 서울시립대, 성산대교, 동작대교, 국립묘지, 반포고속버스터미널, 미아삼거리, 동덕여대, 서대문 시립병원, 서부시외버스터미널 등의 가연성으로 이루어진 모든 것이 엄청난 열로 인해 폭발의 중심지가 증발함과 거의 동시에 타기 시작하며 주위의 모든 사람들도 같이 타들어가기 시작합니다.
이 지역의 사람들은 3도 화상을 입게 되고 누출부위가 25%가 넘는 사람들은 몇 초 뒤 절명하며, 거의 이 지역의 대부분인 운 나쁜 노출부위 25%미만의 사람들은 약 1분 뒤 후폭풍이 다가올 때까지 고통 속에서 기다리게 됩니다.
(2) 후폭풍
폭심지부터 약 3km의 불덩이가 생기며 엄청난 양의 산소를 태우고 나머지 타지 않는 기체는 가열되어 고속 대류 상승합니다. 불타고 있는 폭심지 주변의 건물들이 과열된 화구(Fireball: 핵폭발로 생성된 뜨거운 공기 덩어리)의 고속 대류 상승에 의해 빈자리로 산소가 빨려 들어가는 속도에 못 견디고 대부분 폭심지 안쪽을 향해 붕괴합니다.
그리고 몇 초 뒤 시속 1000km로 산소를 팽창 시키는데 속도는 점점 느려져서 25초 뒤에는 약 시속 400km 속력의 후폭풍이 동대문, 연세대, 숙명여대, 용산구청 등에 도착하게 되고, 그리고는 1분 뒤에는 시속 350km의 속력의 후폭풍이 약 7~9km떨어져있는 서울시립대, 동작대교, 반포 등지에 도착하게 됩니다.
후폭풍은 약 진도7의 지진의 파괴력으로 도시를 덮치는데, 지상의 모든 90%이상의 건물은 이 충격으로 파괴되고 모든 건물파편이나 유리파편은 조각조각나서 이 부근의 사람들의 몸을 총알처럼 관통하여 살상하게 되며, 더욱이 파편뿐만 아니라 이 바람에 직접 노출되게되면 사람의 몸도 두동강이 납니다.
또한 엄청난 열을 포함하므로 인근의 아스팔트 도로들이 부글부글 끓게 됩니다.
약 2~3분정도 경과하면 후폭풍은 과천시청, 정부종합청사, 서울랜드, 중부고속도로입구, 카톨릭병원, 김포공항, 도봉산, 광명시청, 송파구, 부천역곡, 태릉선수촌, 구리시, 미금시, 행주산성에까지 도달하며 이 지역 역시 처음지역 지역보다는 덜하지만 후폭풍으로 인한 건물붕괴, 화재 등을 일으키며, 이로 인해 피해 속에서 겨우겨우 생존해 남아 건물 밖으로 도망쳐온 생존자들에겐 화재 선풍이라는 또 하나의 재앙이 덮칩니다.
제가 오후1시로 시간을 정한 이유는 이 시간대에 일반적으로 불을 많이 사용하기 때문에 핵폭발 시에 더 많은 피해를 내기 때문입니다.
직접적인 후폭풍의 범위는 말씀하시는 분마다 가지각색인데 약 반경 30km의 건물들을 파괴할 수 있다고 생각하시면 됩니다.결국, 최악의 경우를 생각해보면 후폭풍이 인천, 의정부, 수원까지도 도달하여 건물을 파괴할 수도 있습니다.
(3) 선낙진 피해
엄청난 후폭풍으로 인해 차량, 인간, 건물파편등이 공중으로 날아가는데 약 2~3km정도의 높이까지 올라갑니다. 그 뒤 후폭풍의 영향으로 폭심지 멀리 떨어지는데 피해 예상지역은 인천, 안산, 수원, 용인, 동두천, 심지어 강화도까지 날아갑니다.
대부분의 선낙진은 눈처럼 떨어지는 뿌연 재인데, 앞서 언급한 차량, 인간, 건물파편 등도 많은 양이 같이 떨어집니다.
선낙진들은 엄청난 방사능을 띤 오염 물질들 인데 처음 열복사 내지 선낙진에 노출된 사람은 2주내지 길게는 6개월 안에 사망하게 됩니다.
(4) 후낙진 피해
작고 가벼운 먼지 크기의 재들은 더 높이 올라가 바람을 타고 더 멀리 뿌려지게 됩니다.
서울에서 터졌을 시 후낙진은 편서풍을 타고 일본까지 가게 됩니다.
<결과적으로 종합했을 때>
1차 열복사 및 2차 후폭풍에 의해 서울의 모든 80~90%의 건물파괴 및 서울인구 천만명중 약 200만 명은 즉사, 약 2백만 명은 고통 속에서 몸부림 치다 사망 그리고 약 300만 명은 2주내지 6개월 안에 사망하게 될 것이며 교통마비, 수돗물 중단, 전기중단, 의료기관 및 의료요원의 부족 속에서 사망자는 더욱더 늘어날 것입니다.
또한 인근 주변도시 인천, 수원, 동두천, 의정부등은 열복사 및 후폭풍에 의한 직접피해는 그나마 서울보다는 좀 덜할테지만 선낙진 피해로 인해 죽어가는 사람은 서울 못지 않을 것이며 전체적인 피해 역시 약 60%이상의 인구가 직간접적인 피해로 간단히 계산했을 때 우리나라 인구 중 천만에서 천이백만명 정도가 사망할 것입니다.
그뿐만 아니라 수도권 붕괴로 우리나라는 당장 후진국이 될 것입니다. 방사능 피해로 인해 사망하는 사람의 고통은 말로 다 표현 할수 없을 정도로 처참하며, 핵전쟁 후를 표현한 TTAPS보고서에서는 이를 산자가 죽은 자를 부러워하는 세상 (The quick envy the dead) 라고 표현했습니다. 말 그대로 살아남은 사람들은 살아 남아 있는 자신의 운명을 저주하며 죽음을 고통 속에서 기다리는 시간만이 있을 뿐입니다. 6개월 안에 사망할 것입니다.
출처/http://k.daum.net/qna/openknowledge/view.html?category_id=OJ&qid=2eZhc
지구의 종말
핵폭발동영상
서울시 핵폭발 가상 시나리오.2
피해는 여러가지가 있지만. (열복사. 후폭풍. 낙진으로 인한 방사능 피해등) 그러나 여기서는 열에 의한 피해만 표시하고 있습니다.
검은색은 즉사, 보라색은 3도화상, 분홍색은 2도화상 가장 바깥의 오렌지색은 1도 화상을 입는 것 입니다.
서울 광화문4거리에서 터트리는것으로 가정했습니다.
먼저 2차대전을 종결시킨 히로시마에 떨어트린 15kt 규모의 핵폭탄입니다.
새문안과 경복궁 일부 교보,KT, 문체부, 미국대사관,정부청사등은 증발됩니다.
종로 일대에 큰 피해가 있습니다.
나가사키에 떨어진 팻맨이라는 21kt 규모의 핵무기입니다.
종로를 지나서 남산을 지나 용산구 후암동까지 직접적인피해가 생깁니다.
2001년 중국에서 만든 현대식 핵무기입니다.
대륙간 탄도 미사일에 실어서 보낼 수 있는데 140kt 규모입니다.
중국이 만약 쏜다면 이 무기가가 날아 오겠네요
1991년 미국에서 만든 현대식 핵폭탄입니다.
폭격기에 싫어서 쏠 수 있죠. 만약 이게 떨어지면 평양이나 북한의 핵시설에
떨어지겠네요.
북한이 쏜다면 아마 이 정도 규모가 아닐까 합니다.
보통 1mt 규모의 핵무기를 사용하는데 그 이유는 한 도시 전체를 날려 버릴 수 있기 때문입니다.
먼저 이 핵폭탄이 서울상공에서 터지면 열복사로 인해서 남산과 후암동, 삼청동, 신촌,혜화동까지 바로 증발해 버립니다.
생존 가능성 제로입니다.
엄청난 열로 인해 공기가 증발하고 그 진공상태를 매꾸기 위해서 주변의 공기들이 몰려들어 옵니다. 이게 무서운 후폭풍이죠 이 후폭풍은 시속 350 킬로미터로 진행되는데 90% 건물이 쓰러진다고 보시면 됩니다. 건물이 쓰러지면 인명피해는 겉잡을 수 없죠
직접적인 열복사에 의한 피해보다 이 후폭풍에 의한 피해가 더 크다고 하죠. 반경 30km이니 서울은 물론, 부천, 구리시, 미금시, 행주산성까지 영향을 미칩니다. 이후 낙진피해가 시작됩니다. 하늘에서 시커먼 비가 내리는데 이 비는 낙진이라고 하는데 방사능이 있기에 맞으면 안됩니다.
인류가 만든 가장 큰 핵무기는 황제라고 불리는 Tsar 라는 핵폭탄으로 1961년에 소련에서 만들었습니다
서울을 넝어 인천 안산 수원 이천까지 피해가 있네요
본문출처 ://cafe.daum.net/haek-no/ZUkm/238
요한 스트라우스의 `천둥과 번개` Op.324
'花卉.園藝.植物.田園 > 自然,風景,靜物寫眞' 카테고리의 다른 글
| 벤 구센스 (Ben Goossens) (0) | 2011.12.06 |
|---|---|
| 都市의 夜景 (0) | 2011.12.06 |
| 가을길 (0) | 2011.11.23 |
| 가을(秋) - 黃色의 饗宴 (0) | 2011.11.22 |
| 선홍(鮮紅) - 가을이 빨간 이유 - 배경희 (0) | 2011.11.22 |