핵무기 과학

 

1945년, 세계 최초의 핵무기가 미국 뉴멕시코주 트리니티 시험장에서 폭발하면서 원자 시대의 시작을 알렸다.

그 이후, 전 세계의 핵 비축량은 배로 증가했고, 지정학적 긴장이 고조되면 핵 종말론에 대한 생각이 광범위한 우려를 야기하는 것은 당연하다.

그러나 재앙적으로 큰 영향에도 불구하고, 핵무기가 어떻게 작동하는지에 대한 과학은 원자적으로 작다.

 

핵무기의 원자 과학

모든 물질은 원자로 구성되어 있으며, 이들은 세 가지 입자, 즉 양성자, 전자, 중성자의 다른 조합을 가지고 있다. 핵무기는 양성자와 중성자의 상호작용을 이용하여 폭발적 연쇄반응을 일으키면서 작동한다.

모든 원자의 중심에는 밀접하게 결합된 양성자와 중성자로 구성되어 있는 핵이라고 불리는 중심부가 있다. 양성자의 수는 주기율표의 각 원소마다 고유하지만, 중성자의 수는 다양할 수 있다. 그 결과, 동위원소라고 알려진 몇몇 원소에는 여러 "종"이 존재한다.

예를 들어, 우라늄의 일부 동위원소는 다음과 같다.

· 우라늄-238 : 양성자 92개, 중성자 146개
· 우라늄-235 : 양성자 92개, 중성자 143개
· 우라늄-234 : 양성자 92개, 중성자 142개

이들 동위원소는 안정적이거나 불안정할 수 있다. 안정 동위원소는 상대적으로 정적이거나 변하지 않는 중성자 수를 가지고 있다. 그러나 화학 원소가 너무 많은 중성자를 가지고 있을 때, 그것은 불안정하거나 분열하기 쉽다.

핵분열성 동위원소가 안정적이 되려고 할 때, 그들은 여분의 중성자와 에너지를 방출한다. 이 에너지는 핵무기가 폭발력을 얻는 곳이다.

핵무기에는 두 가지 유형이 있다.

· 원자폭탄 : 우라늄이나 플루토늄을 사용하여 폭발을 일으키는 다중 핵분열 반응의 도미노 효과에 의존
· 수소폭탄 : 수소 동위원소와 같은 가벼운 원소의 도움으로 우라늄이나 플루토늄을 이용한 핵분열 및 핵융합의 조합에 의존

그렇다면, 핵분열과 핵융합 반응의 정확한 차이점은 무엇인가?

 

원자 쪼개기 : 핵분열

원자로에서 사용되는 과정인 핵분열은 더 무거운 불안정한 원자를 두 개의 작은 원자로 분해함으로써 핵 연쇄반응을 일으켜 많은 양의 에너지를 생성한다.

우라늄-235와 같은 핵분열성 원자의 핵에 중성자가 발사되면, 우라늄 원자는 더 많은 중성자와 에너지에 더해 "분열성 파편"으로 알려진 두 개의 더 작은 원자로 분열된다. 이 과잉 중성자들은 다른 우라늄-235 원자의 핵과 충돌하여 자체 연쇄반응을 시작하여 원자 폭발을 일으킬 수 있다.

원자폭탄은 핵분열을 사용하지만, 핵분열 연쇄 반응은 초임계 질량으로 알려진 우라늄-235와 같은 특정 양의 핵분열성 물질을 필요로 한다는 점에 주목하는 것이 중요하다.

 

원자 병합 : 핵융합

수소폭탄은 핵분열과 핵융합의 조합을 사용하며, 핵융합은 핵분열 반응을 증폭시켜 원자폭탄보다 훨씬 강력한 폭발을 일으킨다.

핵융합은 본질적으로 핵분열의 반대이다. 더 무거운 원자를 작은 원자로 나누는 대신 두 개의 원자를 결합하여 세 번째 불안정한 원자를 형성한다. 그것은 또한 태양을 부채질하는 것과 같은 과정이다.

핵융합은 주로 수소의 두 가지 동위원소인 중수소와 삼중수소와 같이 더 가벼운 원소의 동위원소에 의존한다. 강한 열과 압력을 받으면, 이 두 원자는 서로 융합하여 극도로 불안정한 헬륨 동위원소를 형성하여 에너지와 중성자를 방출한다.

방출된 중성자는 우라늄-235와 같은 더 무거운 원자의 핵분열 반응을 부채질하여 폭발적 연쇄 반응을 일으킨다.

 

원자폭탄과 수소폭탄의 비교

 

수소폭탄은 얼마나 강력하며 원자폭탄과 비교하면 어떠한가?

폭탄	유형	생성된 에너지(TNT 킬로톤)
리틀 보이 🇺🇸	원자	15 kt
팻 맨 🇺🇸	원자	21 kt
캐슬 브라보 🇺🇸	수소	15,000 kt
차르 봄바 🇷🇺	수소	51,000 kt

리틀 보이와 팻 맨 폭탄은 1945년 히로시마와 나가사키의 원폭 투하에 사용되었고, 제2차 세계대전의 파괴적인 종식을 가져왔다. 이 폭격의 규모는 그 당시로서는 유례가 없었다. 그러나 이들을 수소폭탄과 비교하면 핵무기가 얼마나 강력해졌는지를 알 수 있다.

캐슬 브라보는 15,000 킬로톤의 수소폭탄을 생산하여 리틀 보이보다 1,000배 더 강력한 미국 역사상 가장 큰 핵무기 실험의 코드네임이었다. 게다가, 피지 근처의 마셜 제도에서 일어난 폭발로 인한 방사능 흔적은 호주, 인도, 일본, 미국, 그리고 유럽에서 발견되었다.

7년 후, 소련은 1961년에 세계에서 가장 강력한 핵무기인 차르 봄바를 시험했다. 폭발로 인해 51,000 킬로톤의 폭발 에너지가 발생했으며, 파괴 반경은 약 60 km였다.

단일 핵이 얼마나 큰 피해를 줄 수 있는지를 고려할 때, 특히 13,000개가 넘는 탄두의 세계 핵무기가 있는 상황에서, 완전한 전멸의 두려움 없이 실제 핵 충돌의 결과를 상상하기는 어렵다.

 

 

 

출처 : Visual Capitalist