원자폭탄

요약 농축우라늄 235나 플루토늄 239를 임계질량 이상으로 하고 핵분열의 연쇄반응을 고속으로 진행하여 막대한 에너지를 한 순간에 방출시킨 것이다.

원자폭탄

우라늄과 같은 원자번호가 큰 중원소의 원자핵에 중성자를 충돌시키면 원자핵에 분열반응이 일어나고 2개 이상의 중성자가 튀어나오게 된다. 이 핵분열 과정에서는 감마선과 중성자와 함께 엄청난 열에너지가 방출된다. 이러한 핵분열반응이 일정한 조건하에서 연쇄반응을 일으켜 확대되어 나가면 방대한 에너지를 방출하게 된다. 핵에너지를 군사적 목적에 활용한 것이 원자폭탄이며 연쇄반응의 속도를 조절하여 에너지원으로 활용한 것이 원자력발전이다.

역사

이탈리아의 물리학자 엔리코 페르미는 원자핵이 느린 중성자를 포획하여 새로운 원소를 만들 수 있다는 제안을 한 공로로 1938년 노벨 물리학상을 수상하였으며 이후 핵분열의 연쇄반응의 속도를 조절하여 원자폭탄의 개발과 원자력 발전에 기여하였다.

독일에서 핵분열이 최초로 관찰된 뒤 페르미를 비롯하여 미국에 망명한 유럽의 물리학자들은 루즈벨트 대통령을 설득하여 원자폭탄 개발을 위해 비밀리에 맨해튼 계획을 수립하게 된다. 당시 페르미는 연쇄반응을 지속적으로 유지시키는 방법을 개발하는 일의 책임자였다.

페르미는 맨해튼 계획의 일환으로 시카고 대학에서 연쇄반응의 빠르기를 조절하는데 중성자를 흡수하는 물질인 카드뮴(Cd) 막대를 원자로에 넣거나 빼는 방법을 이용하여 연쇄반응의 속도를 조절하였고 이 실험은 1942년 12월 시카고 대학의 스쿼시 경기장에서 성공하였다.

이후 1943년에는 테네시 주의 오크리지 서쪽 20마일 지점에 원자폭탄 제조용 우라늄 생산공장을 건설하고 뉴멕시코 주의 로스앨러모스 과학연구소에서 폭탄 개발 및 설계를 진행하였다.

1945년 7월 16일 뉴멕시코 주 앨러머고도 근처 사막 트리니티에서 시험 폭파를 거쳐, 같은 해 8월 6일 일본의 히로시마에 우라늄 235 폭탄을, 3일 뒤 나가사키에 플루토늄 239 폭탄을 투하하였다.

이 폭탄의 투하로 히로시마에서는 34만 3,000명의 인구 중에서 사망 약 7만 명, 부상 약 13만 명, 완전히 연소·파괴된 가옥 약 6만 2,000호, 반소 또는 반파가옥 약 1만 호, 이재민 약 10만 명의 피해가 발생했고, 나가사키에서는 사망 약 2만 명, 부상 약 5만 명, 완전연소 또는 파괴가옥 약 2만 호, 반소 또는 반파가옥 약 2만 5,000호, 이재민 약 10만 명의 피해가 발생했다.

1949년 9월 24일 소련에서도 원자폭탄을 보유하고 있음이 발표되었고, 1952년 10월 3일에는 영국이 몬터벨로 군도에서 원폭 실험에 성공하였다. 1960년 2월 13일에는 프랑스가 사하라사막에서 실험에 성공하였으며, 뒤이어 중국·인도·남아프리카공화국 등에서도 원자폭탄을 보유하게 되었다.

종류

원자폭탄은 사용되는 핵분열물질의 종류에 따라 우라늄폭탄과 플루토늄폭탄으로 나뉘며, 큰 것에는 TNT 폭약 수백 톤에 해당하는 폭발력을 내는 것부터 kt급의 위력을 내는 것에 이르기까지 여러 가지 크기의 것이 있다.

폭탄의 원료로 사용되는 우라늄 235는 천연우라늄 광석 속에 약 0.7%가 함유되어 있으며, 나머지 99.3%는 비분열성인 우라늄 238로 되어 있다. 우라늄 238에서 우라늄 235를 추출해 내고, 순도 90% 이상으로 농축한 것이 원자폭탄의 에너지원(源)이 된다.

플루토늄 239는 원자로 속의 반응을 끝낸 폐기물 중에서 화학적인 처리에 의해 추출된다. 순도 높게 농축된 우라늄 235·플루토늄 239 등 핵분열물질의 원자핵에 중성자를 충돌시키면 원자핵에 분열반응이 일어나고, 핵분열을 일으킨 원자핵으로부터는 다시 2개 이상의 중성자가 튀어나와서 다른 원자핵에 충돌하여 새로운 핵분열을 일으킨다. 이러한 핵분열반응은 연속해서 확대되어 나가며, 연쇄반응을 일으켜서 방대한 에너지를 방출하게 되는 것이다.

이와 같이 연쇄반응을 일으키는 상태를 임계상태(臨界狀態)라 하고, 이러한 상태가 될 핵분열물질의 양을 임계량이라고 한다. 임계량은 분열물질의 종류와 순도 및 기타의 조건에 따라서 달라지게 되나, 우라늄 235와 플루토늄 239에서는 5~20kg 정도이다. 원자폭탄은 우라늄 235과 플루토늄 239를 용기에 넣고, 그것을 임계상태가 되도록 한 장치, 기폭장치를 갖춘 것이라고 할 수 있다.

원자폭탄은 보통 때는 임계질량보다 작은 덩어리로 나누어서 저장하다가 필요할 때 한 덩어리로 모이게 하여 임계질량 이상이 되면 순간적으로 폭발한다. 우라늄 원자폭탄의 임계질량은 우라늄 235가 93.5%인 경우 약 52kg이고, 크기는 투포환 정도의 크기이다.

작동과정 및 피해범위

우라늄 235의 원자폭탄의 작동과정은 다음과 같다.

먼저, 폭탄이 떨어질 때 공기압 센서가 기폭 장치에 방아쇠를 당기고 기폭 장치가 발화하면서 재래식 기폭제를 점화시킨다. 원뿔 모양의 작은 우라늄 235 덩어리가 재래식 포신에 발사되어 더 큰 우라늄 235와 만난다.

기폭장치에는 포신형(砲身型:gun type)과 내폭형(內爆型:implosion type)이 있다. 포신형은 원통 속에 임계량의 분열물질을 2개로 나누어 넣고, 화약의 힘으로 한쪽 분열물질을 다른 쪽의 것에 합치게 하여 임계상태가 되도록 하는 것이고, 내폭형은 밀도가 성긴 해면체(海綿體)의 분열물질을 중심에 두고, 주위에 폭약을 배치해 두었다가 폭약을 한꺼번에 폭발시켜 빠르게 압력을 가함으로써 임계상태가 되도록 만든 것이다.

폭탄의 살상 및 파괴효과는 폭풍·열·방사능의 3대 효과가 종합적으로 작용하여 발휘된다. 폭발은 100만 분의 1초 내에 일어나고, 지속시간은 200만 분의 1초에 불과하다. 이와 같이 극히 짧은 순간에 막대한 에너지가 방출되므로 수백만 도 이상의 고온이 발생하여 주위의 공기를 가열시키고, 가열된 공기는 급격히 팽창해서 폭풍이 되어 무서운 파괴효과를 내게 된다.

가열된 공기는 불덩어리를 형성해서 고열의 열복사선을 방출하여 연소 및 화상효과를 낸다. 20kt의 표준 원자폭탄의 경우 100만 분의 1초 안에 6,000만℃, 100만 분의 1.5초 후에는 5,000만℃, 불덩어리의 지름 1m가 되고, 1만 분의 1초 후에는 30만℃, 불덩어리의 지름 13~14m가 된다.

또한 온도 5,000만℃가 될 순간의 폭발압력은 수십만 atm에 이른다. 핵반응시에 방출되는 방사능(초기 핵방사능)은 중성자상해(中性子傷害)를 입히게 하고, 넓은 지역에 퍼져 있는 물·흙·먼지 등의 방사성물질로부터 잔류방사선을 방출하게 하며, 죽음의 재라고 하는 방사능진(fallout)을 내리게 하여 광범위한 방사능 오염지대를 형성한다. 폭발에서 발생되는 효과와 에너지의 분포는 대체로 폭풍 및 충격파 50%, 열복사선 35%, 초기핵방사선 5%, 잔류방사선 10%이다.

표준 원자폭탄이 공중·지표면에서 폭발한 경우 폭풍효과에 의해서 폭발중심으로부터 1~5km 이내의 목조건물, 300m 이내의 콘크리트건물, 150~220m 이내의 지하 구조물이 파괴되고, 열복사선에 의해서는 2.5km 이내의 가연성 물질이 연소되거나 인원에게 심한 화상을 입히게 되며, 방사선에 의해서는 1km 이내의 전체 인원에게 치사량의 방사선량을 조사(照射)하게 된다.