핵무기

 

 

 

 

 

 

 

순간적으로 핵을 분열시켜 폭발시키는 폭탄을 원자폭탄이라하고, 핵분열의 에너지로 초고온을 만들어 중수 등을 융합시켜 나오는 에너지를 폭발력으로 삼는 폭탄을 수소폭탄이라 한다. 보통의 폭탄인 TNT는 화학작용을 이용한 것으로서 화학적인 에너지에 비해서 핵의 에너지는 이보다 백만배 정도로 크기 때문에 핵폭탄은 실로 엄청난 폭발력을 갖게 되는 것이다.

 

원자폭탄

 

1945.7.16  239Pu (Los Alamos)

1945.8.6    235U 13kTon (Hiroshima)

1945.8.8    239Pu 22kTon (Nakasaki)

인류사상 최초로 실전에 사용된 핵무기인 원자폭탄은 실전에서 최초로 투하되기 20여일전인  1945년 7월 16일 미국 로스알라모스(Los Alamos)에서 성공하였다. 그 20일후인 8월 6일 235U을 1kg정도 사용한 13kTon 규모의 원자폭탄이 일본 히로시마에 투하되어 지금의 경상남도 진주 정도의 인구인 23만명중 30%정도의 7만명이 사망하고 13만명이 부상하였다. 그 이후 1949년 소련이, 1952년 영국이, 1960년 프란스가, 1964년 중공, 1974년 인도 등에서 차례로 성공하였다.

 

 

사진의 왼쪽이 별명이 "little boy"로서 1945년 8월 6일 일본 히로시마에 떨어진 세계 최초의 원자폭탄이고 오른쪽이 별명이 "fat man"으로 3일후 일본의 나까사끼에 투하된 원자폭탄이다.

 

 

 

원자폭탄의 구조로 오른편의 TNT가 폭발하면 두 우라늄 덩어리가 합쳐저 입계질량이상이 되어 폭발하게 된다.

 

 

 

"핵의 변화"에서 언급한 바와 같이 우라늄 등은 자연적인 상태에서도 분열하여 중성자 등을 방출하는데 우라늄의 양이 적으면 방출된 중성자들이 다른 원자핵에 흡수될 확률이 작아서 급격한 분열을 일으키지는 않는다. 그러나 우라늄이 일정량을 초과하게 되면 최초의 자발적인 분열에 의하여 방출된 중성자는 다른 우라늄 한 두 개를 분열시키고, 거기서 나오는 한두 개의 중성자는 또 서너개의 우라늄을 분열시켜 순식간에 분열이 연쇄적으로 일어나게 된다.

분열이 일어날 때 방출되는 막대한 양의 에너지는 초기에는 대체로 빛의 형태를 가지고 있으나 순간적으로 주위에 흡수되어 고온의 불덩이를 만든다. 이 불덩이의 온도는 태양의 표면온도 정도인 백만도에 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)을 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  늘여트러진 화물차의 행렬 길이는 1000km는 될 어마어마한 분량이다. 지표면에서 1 메가톤의 핵 폭발이 있을 경우에 나오는 열선은 폭심지에서 반경 9km 이내의 모든 가연성 물체를 불 태운다. 폭심지로부터 11km 지점까지는 피부에 3도 이상의 화상을 입어서 노출부위가 1/4 이 넘으면 바로 절명하게 된다.

 

 

 

만일에 이 불꽃을 밤에 85km 떨어진 지범에서 본다면 순간적으로 실명하여 다ㅣ 시력을 회복하는데 오랜 시간이 걸릴 정도로  폭발로부터 일차적으로 방출되는 빛(열복사)의 위력은 대단하다. 그리고 폭발에 의해서 폭심지는 70m 정도의 커다란 구덩이가 생기게 되는데, 그 구덩이에서 흩어져 나가는 흙 등은 그 원자핵이 분앙정하게 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 한시간 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 폭발 되도록 하는데, 폭발 순간의 섬광은 100km 떨어진 지상에서도 열대지방의 한낮의 했빛의 30배나 밝은 빛이다. 인구 100만 정도의 도시에서 한낮에 고공폭발이 있었을 경우 폭발당시의 사망자는 대체로 30만명 정도일 것으로 추정되고 있다. 그러나 나머지 70만명도 서서히 나타나는 방사선의 영향으로 심각한 장애를 겪어야 할 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

수소폭탄

 

핵융합을 이용한 수소폭탄은 1952년 미국, 1953년 소련에서 개발에 성공하여 실전에 사용되지는 않았지만 수십차례의 무인도, 지하, 대기권에서 실험하여 그 가공할 만한 위력은 이미 알려지게 되었다. 수소폭탄은 아래 그 구조 그림에서 보인 바와 같이 핵융합과정에 필요한 초고온을 만들어 줄 수 있도록 원자폭탄을 그 기폭제로 하고 있다. 수소의 핵융합반응에서는 분열생성물이 생기는 핵분열과 달리 다량의 방사능이 발생되지 않기 때문에 비교적 방사능 오염이 덜하여 깨끗하다고 할 수도 있지만, 실제로는 주위를 238U로 감싸기 때문에 핵융합에서 발생되는 고속의 중성자는 그 238U를 분열시켜 막대한 양의 방사선을 방출한다. (원래 238U은 분열성이 없어서 핵연료로는 사용하지 못한다. 그러나 고속의 중성자를 맞으면 강제로 분열되너 막대한 방사능을 갖는 동위원소가 만들어진다. 이 우랴늄은 우라늄광에서 채취하는 천연 우라늄의 99.3%로서 핵분열에 사용되지 않는다)

 

 

 

이 우랴늄에서 나오는 막대한 양의 방사선은 인명을 바로 살상하기도 하지만 물질에 흡수되어 방사성 동위원소를 만들고 이들은 각각의 반감기에 따라 다르기는 하지만 길게는 몇 백년동안 방사선을 방출케 하여 사람을 살 수 없게 한다. 그래서 이를 '더러운' 폭탄이라 한다.

 

 

 

 

 

 

 

위 그림은 수소폭탄의 구조이다. TNT에 의해 원자폭탄이 폭발하면 백만도까지의 고온이 발생하여 LiD(중수소와 리튬의 화합물로서 액체임)속의 중수소가 핵융합하게 된다. 이 융합시 나오는 고속의 중성자는 주변을 감싸고 있는 238U를 인공분열시킨다.

 

수소폭탄이 변종들

 

코발트탄

앞의 수소폭탄 주위를 감싸고 있는 우라늄 대신에 59Co를 사용한 것이다. 이 보통의 코발트는 핵융합의 중성자를 받아 60Co(코발트 60이라 함)으로 변하여 주위에 흩어지게 된다. 이 코발트 60은 반감기가 5.2년으로 베타붕괴를 하면서 강력한 감마선을 방출하는 무시무시한 방사성 동위원소이다.

이 코발트탄 10발 정도면 전 인류를 사멸시킬 수  있을 것으로 짐작되나 실제로는 제조되지 않은 것으로 알려져 있다.

 

 

 

 

 

 

중성자탄

수소폭탄의 기폭제인 원자폭탄을 보통의 화학폭탄으로 대치하고 주위를 감싸고 있는 238U를 없앤 형태로 '더러운' 방사선의 방출을 극소화하고 단지 투과성이 아주 좋은 중성자만을 방출하게 하여  건물을 파괴하지 않고 건물 속에 들어 있는 인명만 살상하도록 만들어진 폭탄이다. 이는 1960년 경부터 연구되어 1981년 생산에 돌입된 것으로 알려져 있다.

 

 

핵실험 동화상

 

미국 네바다주 Buster-Jangle
핵실험

<3.4MByte>

 

 

 

 

 

Castle Bravo 핵실험
<1954년 3월 1일 15MTon>

<2.6MByte>

 

 

 

 

Castle Romeo 핵실험
<11MTon>

<2.1MByte>

 

 

 

 

Ivy King 핵실험
<고공에서 폭발하여 떨어지는 원자폭탄으로 500kTon>

<3.1MByte>