핵무기의 작동 원리

핵무기는 TNT처럼 화학 반응이 아니라 원자핵 자체에서 에너지를 끌어냅니다. 냉장고만 한 탄두 하나가 제2차 세계대전에서 떨어진 폭탄을 전부 합친 것보다 더 큰 에너지를 낼 수 있습니다. 기본 원리는 두 가지, 핵분열과 핵융합입니다.

핵분열: 무거운 원자를 쪼개다

우라늄-235와 플루토늄-239 같은 특정 무거운 동위원소는 중성자에 맞으면 더 가벼운 두 조각으로 갈라지면서 에너지와 새 중성자 두세 개를 내놓습니다. 물질이 충분히 많고 충분히 촘촘히 모여 있으면(임계 질량) 그 중성자들이 다시 분열을 일으키고, 반응은 기하급수적으로 커집니다. 약 80세대의 배가(倍加)가 1마이크로초도 안 되는 사이에 일어납니다.

공학적인 과제는 폭발 순간까지 물질을 미임계 상태로 유지하는 것입니다. 1945년에 두 가지 해법이 만들어졌습니다.

• 포신형: 우라늄 덩어리 하나를 포신 속으로 쏘아 다른 덩어리에 박아 넣습니다. 단순하고 워낙 확실해서 사용 전에 완전한 실험조차 하지 않았습니다. 이것이 약 15킬로톤의 히로시마 원폭 리틀보이입니다.
• 내폭형: 플루토늄 구(球)를 정밀하게 시간을 맞춘 재래식 폭약으로 눌러 초임계 상태로 만듭니다. 이 설계는 트리니티 실험에서 검증되었고 나가사키의 팻맨에 쓰였습니다.

순수 핵분열 무기는 수백 킬로톤이 한계입니다. 실험된 것 중 가장 큰 아이비 킹은 약 500 kt였습니다.

핵융합: 열핵의 도약

핵융합은 중수소와 삼중수소 같은 가벼운 원자핵을 합쳐 그램당 더 큰 에너지를 내지만, 수천만 도의 온도가 필요합니다. 실용적인 「성냥」은 핵분열 폭탄뿐입니다. 단계식 텔러–울람 설계에서는 핵분열 「1차」가 먼저 터지고, 그 X선이 물리적으로 분리된 핵융합 「2차」를 압축해 점화합니다. 폭탄이 스스로 산산이 흩어지기 전에 일어나는 일입니다. 원리상 단계는 얼마든지 이어 붙일 수 있고, 소련이 차르 봄바로 50메가톤에 이른 것도 그 방법이었습니다.

현대 탄두 대부분은 2단계 열핵 설계이며, 보통 부스팅을 씁니다. 1차에 중수소-삼중수소 가스 몇 그램을 주입하면 효율이 크게 올라, 작고 가볍고 안전하면서도 수백 킬로톤을 내는 탄두를 만들 수 있습니다.

현대 탄두가 「더 작은」 이유

냉전 시대의 미사일은 부정확했기 때문에 초강대국들은 수 메가톤급 탄두로 이를 메웠습니다. 유도 기술이 좋아지면서 정확도가 완력을 대신했습니다. 오늘날 배치된 전형적인 전략 탄두 — 미국의 W88(455 kt)이나 러시아 토폴의 탄두(800 kt) — 는 1960년대의 수 메가톤급 괴물보다 훨씬 작고, 미사일 한 발이 거대한 탄두 하나 대신 여러 개의 개별 유도 탄두(MIRV)를 싣습니다.

차이를 직접 확인해 보세요

이 숫자들의 의미를 이해하는 가장 좋은 방법은 지도에서 비교해 보는 것입니다. 15 kt 히로시마 원폭, 그다음 워싱턴 상공의 현대 800 kt 토폴 탄두, 그다음 50메가톤 차르 봄바 — 모두 시뮬레이터에 있습니다. 파괴가 실제로 어떻게 일어나는지는 핵폭발의 영향에서 다룹니다.