핵무기

핵무기

가공할 위력을 가진 핵무기

우라늄 등은 자연적인 상태에서도 분열하여 중성자 등을 방출하는 데 우라늄의 양이 적으면 방출된 중성자들이 다른 원자핵에 흡수될 확률이 작아서 급격한 분열을 일으키지는 않는다. 그러나 우라늄이 일정량을 초과하거나 밀도를 높이면 최초의 자발적인 분열에 의하여 방출된 중성자가 다른 우라늄 한두 개를 분열시키고, 거기서 나오는 중성자는 또 서너 개의 우라늄을 분열시켜 순식간에 분열이 연쇄적으로 일어나게 된다. 이렇게 임계조건을 순간적으로 충족시켜서 급격한 연쇄반응에 의해 폭발되도록 한 폭탄이 원자폭탄(atomic bomb)이다.

한편 핵분열의 에너지로 초고온을 만들어 중수 등을 융합시켜 나오는 에너지를 폭발력으로 삼는 폭탄을 수소폭탄(hydrogen bomb)이라 한다. 보통의 폭탄인 TNT는 화학작용을 이용한 것으로서 화학적인 에너지에 비해서 핵의 에너지는 이보다 백만 배 이상 크기 때문에 이러한 핵폭탄(nuclear bomb)은 실로 엄청난 폭발력을 갖게 되는 것이다.

_ 연쇄반응_ 핵분열_ 중성자

원자폭탄

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꼬마와 뚱보_ 왼쪽의 것은 별명이 little boy(꼬마)로서 일본 히로시마에, 오른쪽이 fat man(뚱보)으로 일본의 나가사키에 투하된 원자폭탄이다.

1945년 7월 16일 $^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}$ (Los Alamos)

1945년 8월 6일 $^{235}_{~~92}\mathrm{U}$ 13kTon (히로시마)

1945년 8월 9일 $^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}$ 22kTon (나가사키)

인류사상 최초로 실전에 사용된 핵무기인 원자폭탄은 실전에서 최초로 투하되기 20여일 전인 1945년 7월 16일 미국 로스알라모스(Los Alamos)에서 실험에 성공하였다. 그 20일 후인 8월 6일 $^{235}_{~~92}\mathrm{U}$을 1kg 정도 사용한 13kTon 규모의 원자폭탄이 일본 히로시마에 투하되어 지금의 경상남도 진주 정도의 인구인 23만 명 중 30% 정도의 7만 명이 사망하고 13만 명이 부상하였다. 그 이후 1949년 소련이, 1952년 영국이, 1960년 프랑스가, 1964년 중공, 1974년 인도 등에서 차례로 성공하였다.

아래 그림은 원자폭탄의 구조를 보여주고 있다. 우선 오른편의 TNT가 폭발하여 두 우라늄 덩어리가 합쳐지면 큰 덩어리로서는 임계질량을 초과하게 되어 그 순간 급격하게 폭발하게 된다. 단순한 원리에 의해 작동하기는 하지만 짧은 순간 임계질량을 넘겨야 하므로 실제로는 약 백만분의 일초 이내를 제어할 수 있는 정교한 기술이 필요해진다.

이러한 우라늄 원자폭탄은 2차세계대전 중에 히로시마에 투하되었고, 아래는 이보다 사흘 후 나가사키에 투하된 플루토늄 원자폭탄이다. 여기서는 분열물질을 해면체에 성기게 배치해 두고 있다가 TNT로 급격하게 압축시켜서 임계상태에 도달하게 한다.

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나가사키의 원자폭탄_ 1945년 8월 9일 일본 나가사키에 투하된 원자폭탄으로 별명이 뚱보(fat man)이다.

_ 연쇄반응_ 임계질량

원자폭탄의 위력

백만도의 불덩어리가 만드는 폭풍, 아주 해로운 분열파편들

분열이 일어날 때 방출되는 막대한 양의 에너지는 초기에는 대체로 빛의 형태를 가지고 있으나 순간적으로 주위에 흡수되어 고온의 불덩이를 만든다. 이 불덩이의 온도는 태양의 내부 온도 정도인 백만 도에 이르러서 거기서 다시 방출되는 복사열은 수 km 떨어진 지점이라도 새카맣게 태워 버릴 수 있다. (이 온도는 핵융합이 일어날 수 있는 온도이기 때문에 수소폭탄의 기폭제로 이 원자폭탄이 사용된다)

이 고온의 순간적인 불덩어리가 만드는 폭풍과 충격파가 갖게 되는 에너지는 대체로 방출 에너지의 50% 정도이다. 이것이 인명을 살상하며 시설들을 완전히 파괴하게 한다. 그의 열 복사선이 35% 정도, 방사선이 5%, 잔류방사선이 10% 정도의 에너지(즉 파괴 살상력)를 가지고 있다.

TNT 1 메가톤에 해당하는 원폭의 폭발이 있을 경우 일어나는 물리적인 현상을 구체적으로 알아보도록 하자. 만일 TNT 1 메가톤을 20톤을 실을 수 있는 화물차로 수송한다고 했을 때에는 5만대가 필요하여 고속도로 위에 늘어진 화물차의 행렬 길이는 1000km는 될 어마어마한 분량이다. 지표면에서 1 메가톤의 핵폭발이 있을 경우에 나오는 열선은 폭심지에서 반경 9km 이내의 모든 가연성 물체를 불태운다. 폭심지로부터 11km 지점까지는 피부에 3도 이상의 화상을 입어서 노출부위가 1/4 이 넘으면 바로 절명하게 된다.

만일에 이 불꽃을 밤에 85km 떨어진 지점에서 본다면 순간적으로 실명하여 다시 시력을 회복하는 데 오랜 시간이 걸릴 정도로 폭발로부터 일차적으로 방출되는 빛(열복사)의 위력은 대단하다. 그리고 폭발에 의해서 폭심지는 70m 정도의 커다란 구덩이가 생기게 되는 데, 그 구덩이에서 흩어져 나가는 흙 등은 그 원자핵이 불안정하게 들뜨게 되어 이차적인 방사능 물질이 된다. 폭발의 충격은 진도 7에 해당하는 지진을 만든다.

또한 반경 5km 지점을 지나는 열풍의 풍속은 초속 70m 이상이 되어 견고하지 못한 지상의 대부분의 건축물 들은 풍압을 견디지 못하고 무너져 버린다. 1 메가톤의 지상폭발에 의하여 발생하는 방사선의 총 선량은 폭발 한 시간 후에 1000억 퀴리(curie) 이상이다. 이는 시간이 지날수록 점점 줄어들지만 반경 100km 내에는 1주일 동안은 어떤 생명체도 살 수가 없고, 적어도 25년 동안은 방사선에 노출될 위험을 안고 있어야 한다.

실제로 많은 인명을 살상하기 위해서는 핵폭탄을 상공 1km 정도에서 폭발되도록 하는 데, 폭발 순간의 섬광은 100km 떨어진 지상에서도 열대지방의 한낮의 햇빛의 30배나 밝은 빛이다. 인구 100만 정도의 도시에서 한낮에 고공폭발이 있었을 경우 폭발 당시의 사망자는 대체로 30만 명 정도일 것으로 추정되고 있다. 그러나 나머지 70만 명도 서서히 나타나는 방사선의 영향으로 심각한 장애를 겪어야 할 것이다.

_ 방사선_ 핵융합_ 방사능_ 충격파_ 온도