수소폭탄과 원자폭탄의 차이

원자폭탄은 무거운 원자를 쪼개서 에너지를 얻습니다. 수소폭탄은 가벼운 원자를 합쳐서 에너지 대부분을 얻으며, 시작하려면 안에 원자폭탄이 하나 들어 있어야 합니다. 짧게 답하면 이렇습니다. 실제 차이는 위력에 있습니다. 1945년 전쟁에 쓰인 두 폭탄은 15킬로톤과 21킬로톤이었지만, 7년 뒤 실험한 첫 수소폭탄은 10,400킬로톤이었습니다.

	원자폭탄(핵분열)	수소폭탄(열핵)
반응	무거운 원자핵이 연쇄적으로 쪼개짐	가벼운 원자핵이 융합하고, 핵분열도 크게 일어남
연료	우라늄-235 또는 플루토늄-239	중수소화리튬과 삼중수소, 핵분열 기폭장치
점화 방식	재래식 폭약이 임계질량을 만듦	원자폭탄(1차)이 핵융합 단계를 점화
일반적 위력	1~수십 킬로톤, 최대 실험 500 kt	수백 킬로톤~메가톤, 50 Mt까지 실험
첫 실험	트리니티, 1945년 7월	아이비 마이크, 1952년 11월
실전 사용	히로시마와 나가사키	없음

운반대 위의 원자폭탄 리틀보이 — 히로시마에 투하된 포신형 우라늄 폭탄 리틀보이. 길이 3 m, 무게 약 4.4톤, 위력 15킬로톤입니다. 사진: US Department of Energy

쪼개기와 합치기

중성자가 우라늄-235나 플루토늄-239의 원자핵에 부딪히면, 원자핵은 더 가벼운 조각 두 개로 갈라지면서 새 중성자를 두세 개 내놓습니다. 물질이 충분하고 한데 촘촘히 모여 있으면 이 중성자들이 다른 원자핵을 또 쪼개고, 핵분열 횟수는 대략 100분의 1마이크로초마다 두 배로 늘어납니다. 에너지 방출 전체가 100만분의 1초도 걸리지 않습니다.

핵융합은 반대 방향입니다. 무거운 수소인 중수소와 삼중수소의 원자핵을 억지로 붙여 헬륨을 만들면, 그 과정에서 사라진 질량이 에너지로 바뀝니다. 같은 무게로 따지면 중수소-삼중수소 융합은 우라늄 핵분열보다 약 네 배의 에너지를 냅니다. 문제는 온도입니다. 수천만 도가 필요한데, 어떤 화학 폭약도 그 온도를 만들지 못합니다.

핵분열과 핵융합을 비교한 그림 — 핵분열은 무거운 원자핵 하나를 쪼개고, 핵융합은 가벼운 원자핵 둘을 합칩니다. 어느 쪽이든 아주 적은 질량이 막대한 에너지로 바뀝니다.

수소폭탄 안에 원자폭탄이 있는 이유

핵융합에 필요한 열을 현실적으로 낼 수 있는 것은 핵분열 폭발뿐입니다. 1951년 에드워드 텔러와 스타니스와프 울람이 고안한 2단계 설계에서는 1차라고 부르는 핵분열 폭탄이 먼저 터집니다. 그 X선이 빛의 속도로 외피 안을 채워, 폭발이 무기를 산산조각 내기 전에 2차를 압축합니다. 압축된 연료가 점화됩니다.

2차는 우라늄으로 둘러싸여 있고, 핵융합에서 쏟아지는 고속 중성자가 이 우라늄까지 쪼갭니다. 많은 열핵무기에서 전체 위력의 절반 정도가 이 마지막 핵분열 단계에서 나옵니다. 그러니 수소폭탄이라는 이름은 절반만 맞습니다. 실제로는 핵분열, 핵융합, 다시 핵분열로 이어지는 폭탄입니다.

2단계 열핵무기의 구조도 — 2단계 배치: 한쪽 끝에 1차, 다른 쪽에 핵융합 2차가 있고, X선을 이끄는 외피가 둘을 감쌉니다.

1945년부터 1952년까지

핵분열 폭탄은 전쟁 중 맨해튼 계획에서 나왔습니다. 히로시마를 파괴한 것은 한 번도 실험하지 않은 포신형 우라늄 폭탄이었고, 나가사키는 트리니티 장치와 똑같은 플루토늄 내폭형 폭탄이었습니다. 전쟁 뒤 핵분열 폭탄은 빠르게 커졌지만 한계에 부딪혔습니다. 무기 하나에 핵분열성 물질을 많이 넣을수록 너무 일찍 반응하지 않게 막기가 어려워지기 때문입니다. 지금까지 실험된 가장 큰 순수 핵분열 폭탄인 1952년의 아이비 킹은 500킬로톤이었습니다.

그보다 2주 앞서 미국은 액체 중수소를 채운 74톤짜리 냉각 장치, 아이비 마이크를 실험했습니다. 10.4메가톤의 위력으로 섬 하나를 지도에서 지워 버렸습니다. 2년 만에 액체 연료는 고체 중수소화리튬으로 바뀌었고, 수소폭탄은 항공기에 실을 수 있게 되었습니다. 진정한 소련의 2단계 무기는 1955년에, 영국은 1957년, 중국은 1967년, 프랑스는 1968년에 뒤따랐습니다.

실험 건물 안의 열핵 장치 아이비 마이크 — 1952년 에니웨톡 실험 전의 아이비 마이크 장치. 별명은 소시지였고, 연료를 영하 250도로 유지해야 했습니다. 사진: US Department of Energy

오늘날 무기고에 있는 것

미국, 러시아, 영국, 프랑스, 중국이 배치한 전략 탄두는 거의 모두 열핵무기입니다. 이 설계에는 순수한 위력 말고도 효율이라는 장점이 있습니다. 무게 수백 킬로그램의 현대 2단계 탄두 하나가 수백 킬로톤을 내기 때문에 미사일 한 발에 여러 개를 실을 수 있습니다. 순수 핵분열 무기는 새로운 핵보유국의 출발점으로 남아 있고, 현대 탄두의 1차 역시 소량의 중수소-삼중수소 가스로 증폭한 핵분열 장치입니다.

유명한 핵분열·열핵 폭발의 위력 — 유명한 핵분열 폭발과 열핵 폭발을 한 눈금에 놓았습니다. 눈금 한 칸이 앞 칸의 열 배입니다.

자주 헷갈리는 점

핵폭탄과 원자폭탄은 같은 말인가요? 핵무기는 두 종류를 모두 가리킵니다. 원자폭탄은 보통 핵분열 무기를 말합니다.

수소폭탄이 방사능이 더 많나요? 꼭 그렇지는 않습니다. 낙진은 주로 핵분열이 얼마나 일어나는지, 화구가 땅에 닿는지에 달려 있습니다. 2차에 우라늄이 적은 깨끗한 설계는 킬로톤당 낙진이 적고, 위력 큰 지표폭발은 낙진이 아주 많습니다.

수소폭탄은 얼마든지 크게 만들 수 있나요? 원리상으로는 단계를 이어 붙일 수 있습니다. 소련의 차르 봄바는 3단계였고 100메가톤으로 설계되었습니다. 하지만 차르 봄바의 이야기가 보여 주듯, 그런 무기에는 군사적 쓸모가 없습니다.

두 종류를 지도에서 비교하려면 시뮬레이터에서 리틀보이를 고른 다음 800킬로톤 현대 탄두를 골라 보세요. 각 설계의 자세한 내용은 핵무기의 작동 원리에 있습니다.