오늘의 두번째 정보글은 원자폭탄, 즉 핵무기의 원리에 대해서 이야기 해볼까 합니다.

먼저 원자폭탄의 개념은 우라늄 또는 플루토늄의 원자핵 분열로 만들어진 에너지를 열에너지외에도 여러가지 에너지로 변환시켜서 폭발시키는 폭탄입니다.

그렇다면 원자폭탄을 만들기 위한 원재료, 즉 우라늄이나 플루토늄을 아무거나 주워다 쓰면 핵무기를 만들수있느냐?

그건 아닙니다.

원자폭탄을 만들기위해서 필요한 원재료는 우라늄-235 나 플루토늄-239 같은 원재료가 필요하죠.

여기서 우라늄, 플루토늄 같은 것은 원소의 이름이고, 이 원소의 이름은 무엇으로 정해지느냐면 이 원소가 가지고있는 양성자의 개수로 정해집니다.

예를들어 우라늄 같은 경우 양성자의 개수가 92개가 있는것이고 플루토늄은 94개가 있는것이죠.

이 이름은 순서대로 양성자의 개수가 1개가 있으면 수소, 양성자가 2개면 헬륨 3개면 리튬 이런식으로 나가는것이고(이부분은 옛날에 원소 기호 외우는 순서대로입니다) 원소기호 92번이 우라늄, 94번이 플루토늄이라는 것이죠.

그렇다면 여기서 우라늄-235, 플루토늄-239라는 이름중에 뒤에붙는 235와 239는 무엇을 의미하는가 를 살펴보면.. 이 235는 양성자와 중성자의 개수를 합한 숫자입니다.

우라늄-235 를 예로 들어보자면, 우라늄의 양성자는 92개인데 235라는 숫자가 붙어있으니 235 - 92 = 중성자의 개수 라는것입니다.

우라늄은 92개의 양성자를 가지고있으니 우라늄-235는 143개의 중성자를 가지고있는 우라늄의 동위원소이다. 라는것이죠.

플루토늄-239도 마찬가지로 94개의 양성자를 가지고있으니 145개의 중성자를 가진 플루토늄의 동위원소다. 라고 할수있습니다.

예를들어 고고학 하시는분들이 주로 사용하시는 탄소연대측정법의 경우 탄소는 기본적으로 양성자 6개와 중성자 6개를 가지고있으나 연대측정에 사용하는 방사성 동위원소의 경우 양성자 6개와 중성자 8개를 가지고있는 탄소-14를 사용합니다.

아무튼간, 이 우라늄-235와 플루토늄-239를 일컬어 통칭 핵물질 이라고 하는데, 이 핵물질은 외부에서 중성자를 맞을 경우 2개로 분열되는 특성이 있습니다.

이것을 핵분열이라고 하는데요,

지금 이야기한 핵분열 현상은 위 동영상을 보시면 이해가 되실겁니다.

☆  녹색이 중성자, 빨간색이 양성자 라고 생각하고 보시면 훨씬 이해가 쉬우실겁니다.

참고로 이 동영상은 조금 뒤에 한번 더 언급되게될테니 지금 눈에 잘 익혀두시길 바래요.

보통의 양성자는 양이라는 이름이 붙은것처럼 플러스 전하를 가지고있어요.

양성자를 자석으로 비유해보자면, 자석과 자석의 플러스극은 서로 밀어내는 특성이 있죠?

그 밀어내는 특성을 상쇄하고 딱 붙여놓으려면 얼마나 강한 힘이 필요하겠습니까? 그 힘을 일컫는 말이 바로 강한 핵력(Strong nuclear Force)라고 합니다.

이 강한 핵력으로 꽉 붙어있는 원자를 중성자를 쏴서 강제로 뜯어내면 엄청난 에너지가 발생하게 되는데, 이것이 바로 원자폭탄에서 발생하는 폭발력의 원천이 되는 에너지입니다.

이해가 잘 안되는 니붕이들을 위해 우리 게임, 니케의 메인스토리에 대입해서 설명을 해주자면...

계속 전초기지에서 함께 붙어있던 마리안(양성자A)와 지휘관(양성자B)이(이부분까지 강한 핵력 적용중) 마리안을 노리는 중앙정부(외부에서 쏘는 중성자)에 의해 서로 떨어져서 살게되니 마리안이 엄청난 검은 에너지를 발산(핵분열 반응)하게되는것으로 이해하시면 쉽게 이해가 되실겁니다.

그렇다면 이 핵분열현상의 에너지를 더 강력하게 만들 방법은 무엇이 있을까요?

네 그렇습니다.

그 방법은 바로 "연쇄반응"을 일으키는거죠.

위쪽의 동영상을 보시면, 마지막에 양성자, 즉 원자핵이 2개로 분리되며 중성자 세개가 그 뒤로 튕겨나가는 장면이 있을겁니다.

그 중성자가 다른 양성자와 부딪히며 또다시 핵분열을 일으키고 그 양성자에서 나온 중성자가 또다른 양성자와 부딪히며 다시 핵분열을 일으키고.. 이런식으로 반복해서 반응을 일으키면 그것이 바로 "연쇄반응(Chain Reaction)"이라는겁니다.

이 연쇄반응을 일으키려면 어떤 조건이 필요할까요?

바로 양성자의 밀도가 높아야합니다.

 

이 동영상은 미국 공중보건국에서 제작한 사회적 거리두기 홍보영상인데요,

탁구공이 올라간 쥐덫이 있고, 거기에 다른 탁구공을 떨어뜨리면 어떤 반응이 생길것인지를 촬영한것입니다.

여기에서 탁구공을 중성자, 쥐덫을 양성자라고 생각하면, 맨 처음에 보이는 영상은 쥐덫(양성자)의 밀도가 높을경우 위에서 탁구공(중성자)을 떨어뜨렸을때 쥐덫에 올라가있는 탁구공(양성자와 붙어있는 중성자)이 바로 옆의 쥐덫(양성자)을 건드리며 연쇄적으로 쥐덫이 동작하는것을 알수있습니다.

그 다음 영상은 밀도가 낮을 경우인데, 이때는 하나 내지 두개만 반응하고 멈춰버리죠.

이 영상을 보면 알수있듯이 원자의 밀도가 높으면 높을수록 핵분열 시 발생하는 에너지의 양도 많다는 이야기입니다.

바로 이것이 원자폭탄이 폭발하는 기본적인 원리입니다.

요약하자면, 고도로 농축되어 밀도가 굉장히 높은 핵물질(우라늄-235)에 중성자를 쏴서 하나의 원자에 핵분열을 일으키면 그옆에있는 원자도 핵분열을 일으키고.. 의 반복 이라는이야기죠.

그렇다면 원자폭탄이 어떻게 폭발하게 만드느냐?에 대한 궁금증이 생기는데요.

위에서 이야기 한 연쇄반응에 연관이 되어있습니다.

이 연쇄반응에 가장 중요한 것은 바로 핵물질의 양입니다.

핵물질의 양이 너무 소량일경우 다른 원자핵에 부딪힐 확률이 줄어들어들고, 중성자가 밖으로 새어나가게되어서

핵분열로 발생되는 중성자의 양 < 밖으로 새어나가는 중성자의 양 이 되어버려 연쇄반응이 중단되어버리죠.

이 연쇄반응이 지속되지 못하는 상태를 "미임계상태' 라고 하고

핵분열로 발생되는 중성자의 양 > 밖으로 새어나가는 중성자의 양 이 된 상태로써 핵물질이 연쇄반응을 일으키는 상황을 "초임계상태" 라고 합니다.

그리고 핵분열로 발생되는 중성자의 양 = 밖으로 새어나가는 중성자의 양 이 되어서 조금만 충격을 주면 핵분열이 일어나는 상황을 "임계상태" 라고 합니다.

그렇다면 아까 이야기한 대로 핵분열이 일어나기 위한 핵물질의 양은 얼마나 필요할까요?

우라늄-235의 임계질량은 45.9kg정도 입니다.

플루토늄-239의 임계질량은 16.7kg 입니다.

이 임계질량 상태의 핵물질은 자연적인 핵분열 반응때문에 그대로 놔두어도 폭발하게됩니다.

그렇다면, 이 원자폭탄을 어떻게 타격지점까지 운반하느냐의 문제는 아주 간단하게 해결할수있습니다.

우라늄-235의 임계질량은 45.9kg이니 22.95kg씩 나눠서 보관한 뒤에 두개의 우라늄을 투하직전 합치면 되는거죠.

이게 처음 생각한 원자폭탄의 원리입니다.

그래서 처음으로 나온 원자폭탄의 실험체는 포신형 원자폭탄입니다.

바로 이렇게 생긴 녀석인데

이 폭탄의 앞부분에는 임계질량의 절반에 해당하는 미임계상태의 핵물질이 있고, 폭탄의 후방 3분의2 지점즈음에 나머지 미임계상태의 핵물질이 있는 상태에서 폭탄의 최후미에서 추진장약을 폭발시켜 미임계상태의 핵물질 두개를 충돌 시키는 방식입니다.

바로 이런식으로 초임계상태를 만드는것이었죠.

이때 핵무기의 최초 개발자들은 플루토늄-239를 사용할 핵물질로 결정하는데, 

이때 문제가 생깁니다.

핵물질은 서로 가까워지기 시작할 시점부터 핵분열 반응이 나타나는데, 그때 폭발을 하게되면 Predetonaition, 즉 조기폭발을 하게되고, 다 타지 않은 대부분의 핵물질은 폭발반동에의해 다시 반대로 밀려나게되어 폭발력이 감소한다 라는 연구결과가 나오게되어, 완벽하게 폭발하려면 포신의 길이가 더 길어야한다는 결과가 나오고 이렇게 계속 수정이 들어가다가 "야 이걸로는 안되겠다" 하고 바꾼 방식이 바로 내폭형 원자폭탄입니다.

하지만 포신형 원자폭탄의 개발도 계속 하게되죠.

내폭형 원자폭탄의 기본 구조는

이렇게 생겼습니다.

플루토늄-239를 농축하여 가운데 중성자 발생물질을 캡슐형태로 넣어두고 감손우라늄(중성자를 반사할 반사판 역할)을 두른 뒤 알루미늄으로 마감하고 그 주위를 플라스틱폭탄으로 둘렀죠.

이 내폭형 원자폭탄의 작동원리는

이렇게 플라스틱 폭탄이 폭발하여 가운데의 농축플루토늄을 압축시켜서 초임계상태로 만든 후 폭발하게끔 만드는 원리였죠.

이렇게 해서 인류역사상 두번째로 실전에서 쓰인 내폭형 원자폭탄인,

이 팻맨이 탄생했습니다.

그와중에 아까 제가 포신형 원자폭탄도 계속 개발하고있었다고 이야기했죠?

그 포신형 원자폭탄의 가장 큰 난점은 무게와 재질이었습니다.

기존의 포신은 화포의 포신처럼 생각해서 열과 충격에 강한 재질로 해야한다고 생각했는데, 로스앨러모스의 한 과학자가 어차피 일회용이니 쓸수만 있으면 되는것 아니냐? 라고 하여 재질의 변경 후 만들어진것이 바로..

이 인류역사 최초로 실전에서 사용된 마지막 포신형 원자폭탄, 리틀보이 입니다.

이제 원자폭탄의 개발과정에 대해서 이야기 해볼텐데요, 

사실 핵분열 연구를 가장 먼저 시작한 국가는 의외로 히틀러의 나치 독일이었습니다.

그 사실을 첩보를 통해 알아낸 영국은 자체적으로 핵분열연구를 시작했으나 당시 영국의 상황은 총체적 난국으로, 이론적인 부분은 다른 국가들보다 약간이나마 앞서갔지만 국민들이 먹을 음식조차 부족해서 배급제를 실시했던 당시 영국의 경제상황에서 실제 실험을 위한 원자재수급, 실험설비 확보 등은 미비한 상황이었습니다.

그리고 그 시점 즈음해서 알베르트 아인슈타인이 미국의 프랭클린 D. 루스벨트 대통령에게 편지를 씁니다.

편지의 내용을 요약해보면 나치 독일이 핵개발(편지 원문에는 엄청난 폭탄을 준비한다.라는 식으로 적혀있음)을 하고있으며 그게 완성될경우 전 세계가 나치와 히틀러의 손아귀에 떨어질것이다 라는 요지의 내용이었죠.

그 편지를 받은 루스벨트 대통령은 로스 앨러모스 소장으로 줄리어스 오펜하이머를, 군쪽의 책임자로 레슬리 그로브스 소장을 임명하며 여기에 리처드 파인만, 닐스 보어, 엔리코 페르미, 존 폰 노이만 등 당대의 전세계 석학들을 모두 동원하여 물리학자, 수학자, 공학자 등 말 그대로 공학의 어벤저스가 모인 팀을 구성하죠.

오펜하이머야 최근에 영화로도 제작이 되어서 잘 알려져있을텐데, 이 레슬리 그로브스라는 군인은 잘 알려져있지않습니다.

미 육군 공병 장교이며, 그 유명한 미국 국방부

이 오각형의 펜타곤 건설을 지휘하여 6개월만에 완공시킨 사람으로 유명합니다.

그렇게 모인 팀은 1945년 7월 16일 마침내 첫 원자폭탄을 만들어내게 되고, 뉴 멕시코 주 사막에서 실험에 성공하게됩니다.

이 실험의 이름이 바로 그 유명한 "트리니티 실험" 입니다.

이 실험에서 나온 유명한 말이

Now We are All Sons of bitchs.

우린 다 개새끼들이다. 라는 케네스 베인브릿지 박사의 말이죠.

(보통 오펜하이머가 한 말로 알고계신분이 많은데 오펜하이머는 나는 이제 죽음의 사도이다 와 비슷한 말을 했습니다.)

그리고 1945년 8월 6일 히로시마에 리틀보이가, 동년 동월 9일에 나가사키에 팻 맨이 투하되며 인류 역사상 처음이자 마지막 핵무기의 실전 사용이 되게됩니다.

좌측이 히로시마에 떨어진 리틀보이의 폭발 사진이고 우측이 나가사키에 떨어진 팻 맨의 폭발사진입니다.

이 2번의 원자폭탄 투하로 인류는 자신의 손으로 자신의 문명을 멸망시킬수있는 힘을 얻었고, 수많은 인류가 핵전쟁의 공포에 떨어야했습니다.

하지만 역설적으로 이 2번의 원자폭탄 투하가 전쟁에서 핵무기를 사용하지않게끔 안전장치가 되었다는 점은 역사의 아이러니겠죠.

글을 마치면서 원자폭탄에 관한 두가지의 격언으로 마무리하겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다.

"나는 이제 죽음 그 자체이자, 세상의 파괴자가 되었도다." - 줄리어스 R. 오펜하이머(미국의 물리학자이자 맨해튼 프로젝트의 최고위 책임자)

3차세계대전에서 어떤 무기가 쓰일지는 저도 잘 모르겠군요.

하지만 아마 4차세계대전에서는 돌멩이와 나뭇가지가 쓰일겁니다. - 알베르트 아인슈타인(독일태생 미국의 물리학자이자 상대성이론의 아버지)