[남·북·미 무기 열전 15] 단 1그램으로 TNT 2만 톤의 효과를…핵무기의 원리와 구조

지난 시간까지 다양한 미사일을 살펴보았다. 

 

그 밖에도 많은 종류의 미사일이 더 있지만 이는 관련 무기를 다룰 때 함께 살펴보기로 한다. 

 

예를 들어 대전차 미사일은 전차를 다룰 때 함께 살펴본다. 

 

대신 이번 시간부터는 핵무기를 다루려고 한다. 

 

핵무기는 공포의 무기, 궁극의 무기, 최후의 무기, 악마의 무기, 최악의 무기 등 다양한 별칭으로 불리지만 사실 많은 오해를 받는 무기이기도 하다. 

 

일단 핵무기의 기본 원리와 종류, 장단점부터 살펴본다. 

 

● 핵무기의 기본 원리와 구조

 

■ 원자폭탄의 원리와 구조

 

어떤 물질이든 잘게 나누다 보면 원자가 나온다. 

 

원자는 원자핵과 전자로 이루어지는데 원자핵은 양성자와 중성자가 여러 개 뭉쳐있는 것이다. 

 

▲ 단순한 원자모형. 가운데 검은색, 빨간색 구슬이 뭉쳐있는 게 원자핵이며, 주변의 파란색 구슬이 전자다.      © Indolences

 

자연 상태에서 가장 무거운 원자는 우라늄으로 원자핵에 양성자가 92개, 중성자가 146개나 들어 있다. 

 

지구상의 우라늄 원자 가운데는 중성자가 143개만 있는 우라늄-235가 약 0.7% 정도 존재한다. 

 

여기서 235는 양성자 92개와 중성자 143개를 더한 값으로 ‘원자량’이라 부른다.

 

앞서 말한 중성자 146개의 우라늄은 우라늄-238이다. 

 

우라늄-235에 중성자를 넣으면 원자핵이 중성자를 흡수하면서 불안정해져 진동하다가 작은 원자핵들로 쪼개진다. 

 

이를 핵분열이라 한다. 

 

▲ 우라늄 핵분열 과정.     © 아나로그리서치시스템

 

그런데 우라늄 원자핵이 핵분열을 하면서 질량이 미세하게 줄어드는 현상이 발생한다. 

 

그리고 줄어든 질량만큼 에너지가 발생한다. 

 

줄어든 질량과 에너지의 관계는 알베르트 아인슈타인의 유명한 공식인 E=mc²을 따른다. 

 

여기서 c는 빛의 속도로 초속 30만 킬로미터라는 매우 큰 값이다. 

 

따라서 1그램의 아주 작은 질량만 줄어들어도 무려 TNT 2만 1,480톤을 한꺼번에 터뜨리는 폭발력이 나온다. 

 

참고로 핵폭탄의 폭발력을 표현할 때는 얼마의 TNT를 폭파할 때와 같은지로 표현한다. 

 

즉, TNT 2만 톤과 맞먹는 핵폭탄의 폭발력은 2만 톤 혹은 20킬로톤이라 부른다. 

 

원자핵이 핵분열을 하면 중성자가 튀어나오는데 이게 다른 원자핵을 때려서 또 핵분열을 시킨다. 

 

이처럼 연쇄반응이 급격히 일어나면서 핵폭발이 일어나는 것이다. 

 

참고로 핵발전을 할 때는 연쇄반응이 천천히 일어나게 만든다. 

 

연쇄반응이 일어나기 위해서는 우라늄이 일정량 이상 뭉쳐있어야 한다. 

 

연쇄반응이 일어나기 위한 최소 질량을 임계질량이라 부른다. 

 

임계질량은 고정된 값이라기보다는 조건에 따라 바뀌는 값이다. 

 

예를 들어 중성자를 반사하는 물질(탬퍼)로 우라늄을 감싸면 임계질량을 크게 줄일 수 있다. 

 

가장 단순한 핵폭탄은 우라늄 두 덩어리를 원통의 양 끝에 붙여둔 다음 화약으로 둘을 원통 가운데로 보내 하나로 합치는 방식을 쓰는데 이를 포신형이라 부른다. 

 

▲ 포신형 핵폭탄의 구조. [출처: Dake]

 

일본 히로시마에 떨어뜨린 폭탄 ‘리틀보이’가 포신형으로 만든 폭탄이다. 

 

리틀보이에는 우라늄-235가 80%로 농축된 64킬로그램의 우라늄이 반으로 나뉘어 들어 있었다. 

 

핵폭발이 일어났을 때 우라늄이 파편으로 날아가 버리는 바람에 실제로 핵분열을 한 우라늄은 0.84킬로그램에 불과했다고 한다. 

 

즉, 효율이 2%도 안 된 셈인데 그래도 폭발력은 15킬로톤이나 되었다고 한다. 

 

우라늄 대신 플루토늄을 이용해도 핵분열을 시킬 수 있다. 

 

플루토늄 원자핵은 양성자 94개, 중성자 150개로 우라늄보다 더 무겁지만 자연 상태로는 존재하지 않고 인공적으로 만들 수 있다. 

 

핵발전소를 가동하면 우라늄-238이 플루토늄으로 바뀐다. 

 

따라서 핵발전소에서 사용하고 나온 폐연료봉을 재처리해 플루토늄을 구할 수 있다. 

 

플루토늄은 우라늄보다 임계질량이 더 작다. 

 

다만 플루토늄을 폭탄으로 만드는 방식은 훨씬 복잡하다. 

 

플루토늄 폭탄은 내폭형이라 부르는 방식으로 만드는데 플루토늄을 낮은 밀도의 공 모양으로 뭉쳐놓고 겉을 정교하게 설치한 폭약으로 감싼 다음 폭약을 터뜨려 플루토늄을 압축해 밀도를 높여 연쇄반응을 일으킨다. 

 

▲ 플루토늄 폭탄의 구조. [출처: Ausis]

 

나가사키에 떨어뜨린 폭탄 ‘팻맨’이 내폭형으로 만든 폭탄이었다. 

 

팻맨에는 6.4킬로그램의 플루토늄 합금이 들어갔으며 플루토늄을 둘러싼 폭약은 무게 2.5톤, 지름 1.5미터나 되었다. 

 

팻맨은 14% 정도의 플루토늄이 핵분열 반응을 했으며 폭발력은 21킬로톤이었다. 

 

즉, 우라늄의 10% 정도만 사용해 1.4배의 폭발력을 낸 것이다. 

 

오늘날엔 기술이 발달하여 플루토늄 폭탄을 지름 30센티미터 정도로 작게 만들 수 있다. 

 

우라늄 폭탄, 플루토늄 폭탄과 같이 핵분열을 이용한 핵폭탄을 핵분열탄 혹은 원자폭탄이라고 부른다. 

 

■ 수소폭탄의 원리와 구조

 

무거운 원자핵을 쪼개서 에너지를 얻는 게 핵분열이라면 반대로 가벼운 원자핵을 붙여서 에너지를 얻는 방식도 가능하다. 

 

이를 핵융합이라 부른다. 

 

핵융합에는 우주에서 가장 가벼운 원소인 수소를 사용한다. 

 

일반적인 수소는 원자핵이 양성자 1개로 이루어진다. 

 

지구상에는 양성자 1개에 중성자 1개가 붙은 무거운 수소 원자가 0.01% 있는데 이를 중수소라 부른다. 

 

극히 드물지만 양성자 1개에 중성자 2개로 된 수소 원자핵도 있는데 이걸 삼중수소라 부른다. 

 

이들 중수소와 삼중수소를 모아서 매우 뜨거운 열과 강력한 압력을 가하면 핵융합을 한다. 

 

이를 이용해 만든 핵폭탄을 수소폭탄 혹은 열핵폭탄, 핵융합탄이라 부른다. 

 

수소를 핵융합하기 위한 초고온, 초고압은 원자폭탄으로 만들 수 있다. 

 

따라서 수소폭탄 안에는 원자폭탄이 들어있다. 

 

일반적인 수소폭탄 구조는 텔러-울람 설계라고 하여 원자폭탄과 수소 통을 이어 붙인 모습이다. 

 

▲ 텔러-울람 설계에 따른 수소폭탄 구조.

 

원자폭탄에 비해 수소폭탄의 구조는 상세히 알려지지 않았다. 

 

개발 국가들이 극비로 취급하기 때문이다.