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 리틀 보이입니다.
• 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: 열핵무기로의 도약

핵융합은 중수소와 삼중수소 같은 가벼운 원자핵을 합쳐 그램당 더 큰 에너지를 내지만, 수천만 도의 온도가 필요합니다. 실용적인 「불씨」는 핵분열 폭탄뿐입니다. 단계식 텔러-울람 설계에서는 핵분열 「1차」가 먼저 터지고, 그 X선이 물리적으로 분리된 핵융합 「2차」를 압축해 점화하는데, 이 모든 일이 폭탄이 스스로 산산이 흩어지기 전에 일어납니다. 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 압도적 위력을 대신했습니다. 오늘날 배치된 전형적인 전략 탄두, 예컨대 미국의 W88(455 kt)이나 러시아 토폴의 탄두(800 kt)는 1960년대의 수 메가톤급 괴물보다 훨씬 작고, 미사일 한 발이 거대한 탄두 하나 대신 각기 다른 목표를 겨냥하는 탄두 여러 개(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 봄바까지, 모두 시뮬레이터에 있습니다. 파괴가 실제로 어떻게 일어나는지는 핵폭발의 영향에서 다룹니다.