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수소폭탄

last modified: 2015-04-07 18:57:10 by Contributors

Contents

1. 소개
2. 원리
3. 비슷한 무기들
3.1. 원자폭탄과는 다르다 원자폭탄과는!
4. 기타 매체에서의 모습


1. 소개

핵융합 반응을 이용한 핵무기. 2015년 현재까지 인류가 발명한 가장 위력적인 무기다. 미국에서는 열핵폭탄(Thermo-Nuclear Bomb)이라고 부른다.

2. 원리

핵융합 반응을 일으키기 위해 원자폭탄뇌관으로 사용한다. 흠좀무. 핵분열 반응과 이어지는 핵융합 반응이 일으키는 초고온-고압을 사용하기 때문에 열핵병기라고도 하며, 이론상의 위력은 무한대이다. 이 이야기는 크게 만드는 데 물리적인 한계가 없다는 이야기이다. 물론 현실적으로는 재료수급 및 투발수단 등의 영향으로 적당한 수준에서 그치지만... 이해가 어렵다면 하늘에 떠 있는 태양과 여러 들이 엄청 크기가 작아져서 지상에 나타났다고 생각하면 될 것이다.

핵융합이 가능한 온도(= 수소폭탄이 터졌을 때의 온도)가 섭씨 2억 도를 넘는다.(중수소와 삼중수소와의 핵융합은 4천만K이상이면 일어남.) 거기에 더해서 폭압으로 밀려난다.[1] 이로 발생하는 엄청난 기압차로 인하여 다시 주변 공기진공 청소기처럼 강하게 빨아들이는데[2] , 이를 후폭풍이라고 한다. 이는 원자폭탄에서도 일어나는 현상이다.

수소폭탄은 원자폭탄과 달리 제대로 된 핵융합 반응을 끌어내는 데는 단계가 좀 걸린다. 제대로 해낸 나라가 딱 5개. 그게 전부 유엔 안보리 상임이사국인데, 이거 혹시 일종의 자격 조건인가? 역사적으로 수소핵융합을 핵폭탄에 사용하려는 다양한 설계시도가 있었지만 그 위력은 제한적이었으며, 최초의 진정한 수소폭탄은 미국의 에드워드 텔러와 스타니슬라브 울람이 구상한 방사내폭형 수소폭탄이다.[3] 이 설계를 따른 최초의 진정한 수소폭탄은 미국에서 만들었으며, Operatioin Ivy의 Mike 폭발시험에서 테스트되었다. 단 Ivy Mike 핵탄두는 액화중수소를 사용하여 병기로서의 실용성은 없는 습식 핵폭발장치였으며, 중수소화리튬을 사용하는 실용적인 수소폭탄은 소련이 최초로 개발하였다.

일단 원자폭탄이 발생하는 열복사선을 이용해서 핵융합용 연료를 압축하여 점화해야 하니까 기술적으로도 난이도가 상당하다. 그냥 원폭에다가 수소통 붙여놓는다고 되는 게 아니다. 현재 가장 성공적인 수소폭탄 설계인 텔러-울람 설계[4]에서는 핵융합을 위해 방사내파(Radiation Implosion)란 좀 복잡한 걸 일으켜야 하는데, 역시 기본 구조 자체는 인터넷 대충 뒤져봐도 다 나온다. 제대로 만들기가 어려워서 그렇지. 인도도 이거 실험까지 갔다. 터진 건 맞는데 제대로 된 수폭인지 아닌지 애매하다. 당연히 인도는 수폭 맞다고 주장하고 있다.

지중폭발의 경우, 지진파를 이용해 위력의 측정이 가능하다. 일반적인 지진파와 다른 특성을 가지기 때문인데, 일반적인 지진과 달리 핵폭발은 폭발방향으로 강력한 압력을 발생시키므로, 소밀파인 P파가 크게 나타난다. 단층에서 발생하는 지진파는 P파보다 S파가 더 강력하게 나타난다.

간단하게 설명하면, 원자폭탄이 터질 때 나오는 중성자[5]와 열복사선[6] 또는 플라스마를 사용해서 적절한 설계의 반사 구조를 활용해 핵융합 원료가 들어있는 다층 구조물을 내파시킨다. 내파의 메커니즘은(실제 정확한 메커니즘은 당연히 비밀이고) 열복사선의 에너지로 인해 고체의 표면에서 우라늄 같은 중원자가 증발로 표면을 이탈할 때의 반작용을 통해 압력을 가하는 것이라고 추정하는 의견이 대세이다. 이 외에, X선으로 가열된 플라즈마의 팽창압력에 의한 압축, X선 광자가 부딪히면서 발생시키는 방사압에 의한 압축 등의 추측이 제안되고 있다. 이때의 내파 효율 및 다층 구조물의 크기에 따라서 위력이 정해지는데, 소련의 차르 봄바가 가장 강력하다. 다만 차르 봄바의 위력은 효율이 높은쪽이 아니라 구조물의 크기가 커서이다. 내파효율로 위력을 높인건 미국의 B41에 가깝다. 참고로 수소폭탄은 설계 한계 안에서 위력의 증감 폭이 매우 넓다.

200px-Teller-Ulam_device_3D.png
[PNG image (34.05 KB)]

이 그림은 위에서 설명한 텔러-울람 설계로 만들어진 것으로, 소련에선 안드레이 사하로프[7]와 비탈리 긴즈부르크가 독자적으로 개발하였다.

3. 비슷한 무기들

수소폭탄은 아니지만 핵융합을 이용하는 것으로 강화 핵분열 장치(Boosted Fission Device)이란 것도 있는데, 이건 수소폭탄처럼 열핵반응의 폭발력을 본격 이용하는 것이 아니라 소량의 핵융합 물질을 핵분열 물질 피트(Pit)의 중심부에 위치시킴으로써 핵분열이 시작되는 순간에 이 핵융합물질이 열핵반응을 일으키면서 내는 다량의 중성자를 주된 중성자원으로 하는 핵분열 장치이다.

이렇게 할 경우 핵분열 연쇄반응의 전파속도가 매우 빨라지므로, 소량의 핵물질로 더 큰 Yield를 얻을 수 있는 것은 물론, 기존의 통상 핵분열장치에서 Tamper와 같이 효율을 증대시키기 위해 필요한 장치를 생략할 수 있으므로 핵분열장치의 크기를 대폭 줄일 수 있다. 현재 실용 핵분열장치의 대부분은 이러한 Boosted Fission Device이다. 수소폭탄의 "뇌관"으로 사용되는 핵분열장치 역시 Boosted Fission Device임은 불문가지.

3.1. 원자폭탄과는 다르다 원자폭탄과는!

수소폭탄은 원자폭탄과 혼동되는 경우가 많다. 하지만 수소폭탄은 원자폭탄과는 확실하게 구분되는 물건이다.

물론 수소폭탄에서 처음 핵융합을 일으키게 하는 게 원자폭탄이지만, 핵융합 자체는 핵분열과 달리 그 결과물로 수명이 긴 방사성 동위원소가 나오지 않는다. 따라서 같은 위력을 가졌다면 수소폭탄은 핵분열 원자폭탄에 비해 잔류 방사능 낙진은 적게 발생한다. 하지만 그렇다고 이게 통념처럼 '방사능이 없는 깨끗한 폭탄' 따위는 아니며, 기폭제가 원자폭탄이 아니더라도 방사능은 비례적으로 적을 뿐이지 여전히 발생한다.

중수소나 삼중수소를 사용하는 핵융합 반응은 고에너지 중성자가 잔뜩 튀어나와 주변템퍼에 반응한다. 템퍼는 보통 천연우라늄으로 이루어져 있다. 예전에는 납이나 텅스텐과 같은 비방사성 물질을 썼지만 중성자 반사제로는 좋았지만 안정 동위체라 핵분열이 불가능하고 중성자 흡수율도 극히 낮기 때문에 무기의 효율을 약화시키고 잉여 중성자는 대기의 질소와 반응하여 탄소-14를 형성하는데 그치기 때문.. 천연우라늄에 14.1 MeV의 강한 중성자가 맞으니 우라늄-238도 핵분열 하게 된다. 사실 수소폭탄은 템퍼의 우라늄-238이 핵분열하여 내는 에너지가 전체의 70~80%까지 차지한다. 비율은 매우 낮으나 핵반응에서 반드시 튀어나오는 고에너지 감마선도 어느 정도 오염을 촉발시킬 수 있다.

일반 원자폭탄에서 우라늄-235나 플루토늄-239가 핵분열하여 내뿜는 중성자는 에너지가 평균 1 MeV에 이르기 때문에 우라늄-238을 핵분열 시키는 것이 불가능하므로 핵분열성 물질을 농축시켜야 한다. 하지만 수소폭탄에서 중수소와 삼중수소가 핵융합하여 내뿜는 중성자의 에너지는 14.1 MeV에 이르기 때문에 우라늄-238을 핵분열 시킬 수 있다.

우라늄-238은 6.6 MeV의 중성자를 맞으면 핵분열 비율이 35%를 넘어가고 10 MeV를 넘으면 45%를 넘어간다. 하지만 1 MeV의 중성자를 맞으면 핵분열 비율이 0.5%밖에 되지 않으므로 사실상 비핵분열성 동위체지만 초고속 중성자를 맞으면 238U도 핵분열 한다. 따라서 수소폭탄에는 위력을 강화시키기 위해 우라늄-238 케이스가 필요하다.

중수소-삼중수소 핵융합에서 얼마나 많은 중성자가 나오는가 하면. 우라늄-238의 질량만큼의 중수소-삼중수소를 핵융합을 시키면 47개가 넘는 중성자가 튀어나오기 때문에 핵융합 부스팅은 완전 중성자 덩어리를 내뿜는 거라 할 수 있다. 즉 이론상으로 1kg의 중수소-삼중수소를 핵융합 하면 47kg의 우라늄-238을 핵분열 시킬 수 있다. 하지만 우라늄-238의 초고속 중성자의 핵분열 효율이 45%에 이르므로 실제로는 21.2kg이며, 우라늄-238의 핵분열로 인해 튀어나온 중성자가 추가로 핵분열 하는 것까지 합치면 23kg이 핵분열을 하게 된다. 하지만 14.1 MeV의 중성자가 주위의 우라늄-238에 팅겨져 에너지를 잃을 수도 있고 핵융합을 못한 리튬과 충돌하여 에너지를 잃을 수 있으므로 실제로 효율이 약간 낮아져 40%인 19kg이 실제로는 핵분열을 하게 된다. 고로 20Mt급의 수소폭탄이 터질려면 복합적으로 계산시 플루토늄-239와 우라늄-235의 핵분열을 통해 핵융합을 유도하므로 핵분열성 물질의 핵에너지까지 포함한다면 47kg의 중수소화 리튬만으로도 20Mt급의 수소폭탄이 가능하게 된다.

천연 우라늄인 우라늄-238 탬퍼에 우라늄-235를 어느정도 농축한 상태로 집어넣어주면 더 효율적인 폭탄이 가능한데 효율을 50%까지 끌어올릴 수 있다. 이렇다면 37kg의 중수소화 리튬만으로도 20Mt급의 수소폭탄이 가능하다. 하지만 농축 우라늄은 비싸고 우라늄-238만으로도 충분히 파괴력이 쎈데 굳이 25% 더 효율 증대 목적으로 비싼 우라늄-235를 쓰진 않는다. 일반적인 수소폭탄 탬퍼에는 우라늄-235가 0.7% 함유되어 있는 천연우라늄을 써서 가격을 낮춘다.

템퍼를 제거한다면 중성자 폭탄으로 제조가 가능하다. 탬퍼가 없으면 중성자를 흡수하여 핵분열 하는 우라늄-238이 없으므로 고속 중성자가 그대로 폭탄 내부를 벗어나 대기로 튀어나온다. 결국 수소폭탄의 대부분의 에너지는 우라늄-238이 핵분열 해서 내는 에너지를 이용하는 것이므로 원자폭탄과 같이 핵분열 생성물인 방사성 낙진이 떨어져 생태계를 오염시킨다. 하지만 차르봄바처럼 의도적으로 위력을 조절하기 위해 탬퍼를 우라늄이 아닌 다른 비핵물질을 사용한 경우에는 상대적으로 위력 대비 낙진의 양이 적을 수 있다.

4. 기타 매체에서의 모습

고지라는 잘 자고 있다가 수소폭탄 맞고 깨어나서 일본을 공격한다. 역시 자는 놈 함부로 건드리면 벌 받는다.

은영전에선 심심하면 쓰는 무기. 제8차 이제르론 공방전에서도 썼고 함재기들도 쏜다. 레이저 수폭이라 부르는걸 보면 원자폭탄기반은 아니고 고출력 레이저로 핵융합을 일으키는 방식인듯 하다.

노 게임 노 라이프에서 실체화 끝말잇기 첫 단어로 등장. 직격했으나 지브릴에겐 노 데미지.

스타 유즈맵 미사일피하기 게임의 필살기술. 파일런 15개를 지은 뒤 넥서스를 짓는 행위를 3번 반복할 시 시행된다. 상대팀 플레이어 수 만큼의 배틀크루저가 중앙에 생성되며 상대 영역에 닿는 즉시 중앙으로부터 양 가장자리로 유즈맵 '폭탄피하기'처럼 폭발해 나간다. 고로 폭피게임처럼 피하듯이 피해야 한다.

사실 스타크래프트 시리즈의 핵폭탄은 방사능 낙진 피해가 없으므로 수소폭탄이다.
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  • [1] 이에 관해서는 샤를의 법칙 항목을 참조하기 바란다.
  • [2] 이 2차 후폭풍은 반경 수백m ~ 1km 정도가 아닌 이상 강하지는 않다.
  • [3] 이 방사내폭설계는 소련의 안드레이 사하로프가 독자적으로 재발견하였다.
  • [4] 초창기의 일부 실험적 수소폭탄을 제외하면 대부분의 핵탄두는 텔러-울람 설계에 기반하고 있다. 또한 이것은 기존의 인터뷰나 공개된 정보 등을 통해 여러 사람들이 유추한거지, 진짜 설계도는 기밀이다.
  • [5] 원료는 리튬-6중수소화합물 인데, 리튬은 중성자와 충돌하면 헬륨과 삼중수소로 분해된다. 굳이 얘를 쓰는 이유는, 삼중수소-중수소는 부피를 줄이려면 액화해야 하므로 냉각기 때문에 사이즈가 너무 커지기 때문이다. 또한, 삼중수소에 반감기가 12년으로 상당히 짧아서 보관성이 떨어지므로, 리튬을 써야 한다.
  • [6] 보통의 열복사선은 적외선이나 가시광선이지만, 원자폭탄은 온도가 너무 높은 나머지 열복사선도 X선이다.
  • [7] 이 사람은 리즈시절매드 사이언티스트의 길을 걷다 훗날 돌연 회심해서는 구소련의 공산독재를 비판하면서 반핵과 인권운동에 뛰어들어 시베리아 수용소행. 말년에 노벨평화상을 수상한다.

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