수소폭탄열핵폭탄이론과 차르봄바

 

핵융합 이론과 수소폭탄의 개발

태양과 별에서 나오는 막대한 에너지가 수소의 핵융합반응에 의해 발생한다는 사실을 이론적으로 처음 발표한 사람은 독일계 미국 물리학자 한스 알브레흐트 베테(1906~2005)이다.

1938년 그는 다음과 같은 수소의 핵융합 이론을 발표했다.

별의 표면에서 방사되는 막대한 에너지와 빛을, 가장 가벼운 원소의 핵이 높은 온도에서 핵반응을 일으킨 결과로 발생한다. 대부분의 별은 약75%의 수소와 25%의 헬륨, 그리고 2%의 기타물질로 이루어진 둥그런 가스덩어리이다. 별에서는 4개의 수소 핵이 융합하여 1개의 핼륨 핵이 만들어지고, 이때 수소 질량의1%가 엄청난 에너지로 변한다. 이 융합반응 에는 탄소(C)와 질소(N)및 산소(O)가 촉매작용을 하는데 (CNO 사이클), 그 동안 세 원소는 융합반응을 도울 뿐 소모되지는 않는다.

베테의 핵융합이론은 다른과학자들로 하여금 원자폭탄보다 더 강력한 수소 폭탄을 개발하도록 자극했다. 그는 태양의 에너지 이론을 밝힌 공적으로 1967년에 노벨 물리학상을 받았다.

베테와 거의 같은 시기에 독일의 물리 학자 칼 폰 바이재커(1912~2007)도 별에서 일어나는 핵융합 이론을 세우고 있었다.

1942년 말 원자폭탄 연구에 종사하던 물리 학자들은 원폭이 터질때 발생하는 고열을 이용하면 중수소를 융합시키는 수소 폭탄을 만들 수 있으리라고 생각했다. 그러나 그당시 원자폭탄 개발 때문에 수소 폭탄에 대해서는 연구할 겨를이 없었다.

수소 폭탄 제조가 가능하도록 만든 과학자는 오스트레일리아 출신의 물리학자 마르쿠스 올리 판트(1901~2000)였다. 그는 최초로 핵융합 반응 실험을 성공시켰으며 ,원자폭탄 개발 계획에에서 주역을 담당한 일원이기도 하다. 그는 또한 헬륨의 동의 원소인 헬륨-3(helion)과,수소의 동의 원소인 3중수소(tritium)를 발견한 과학자이기도 하다.

의학을 공부하던 그는 1925년에 뉴질랜드의 물리학자 리드 퍼드의 강연을 듣고는 ,전공을 바꾸어 영국 캠브리지 대학 캐번디시 연구소에 입소했다. 이곳에서 그는 최고의 핵물리학자 중 한 사람이 되었으며, 1932년에는 직접 복잡한 입자 가속기를 만들기도 했다.

수소의 핵은 1개의 전자와 1개의 양성자로 구성되어 있다. 그런데 자연계의 물 분자중에는 수소 원자의약 0.015%가 1개의 전자와 2개의 양성자를 가진 중수소(2H)상태로 존재한다, 이러한 중수소를 처음(1931)검출한 과학자는 미국의 헤럴드 유리(1893~1981)였다.

캐번디시 연구소에서 올리판트(1901~2000)는 중수소에 중수소를 충돌시키면 중성자 1개를 더 가진 새로운 동의원소인 삼중수소(3H)가 생겨난다는 사실을 1934년 발견했다.

삼중수소는 방사능을 가지며 그 반감기는 12.32년이다.그리고 삼중수소를 핵융합하면 헬륨-3이 생겨나면서 막내한 에너지가 나온다는 것을 그는 확인 했다.

그의 이 연구는 바로 수소 폭탄을 만드는 기초가 되었다. 제2차 세계전이 일어나자 , 그는

미국으로 이민하여 1941년부터 맨허튼 계획에 참여했고, 우라늄-235를 정제하는 기술을 확립하는 작업에 일조했다.

(강국들의 수소폭탄경쟁)

최초의 원자 폭탄이 투하되고 1년 후부터 미국은 남태평양의 비키니 산호섬 부근에서 수차레 핵무기 실험을 계속했다. 그런데 ,놀랍게도 1949년8월에 러시아가 핵폭탄을 비밀리 개발하여 첫 실험에 성공했다. 미국으로는 너무나 놀라운 일이었다. 핵무기는 미국만의 전유물이 아니었던 것이다. 이때부터 세계의 강국들 간에 치열한 핵무기 개발경쟁이 시작되었다.

러시아가 최초의 핵실험에 성공하자, 미국의 군사 관계자들은 러시아를 앞지르기 위해 원폭보다 더 강력한 수소 폭탄을 만들 것을 트루먼 대통령에게 간청했다. 소소폭탄 개발 이야기가 나오자. 멘허트 계획의 책임자 이었던 오펜하이머는 기술적인 불확실성, 비용 등을 이유로 그 개발을 반대하는 입장이었다.

그러나 에드워드 텔러(1908~2003)와 울람(1909~1984)을 비롯한 일부 물리학자들은 미국에 대한 위협적인 다른 국가에 대비하여 수소 폭탄을 먼저 개발해야 한다고 주장 했다.

1950년1월 트루먼 대통령은 수소폭탄 개발과 원자폭탄의 개량을 지시했다.

텔러는 항가리 태생의 유태인으로 ,1930년대에 미국으로 들어와 원자탄 개발에 참여했고, 울랑은 독일에서 태어난 폴란드계 유태인 수학자 였다. 그는 1938년 미국으로 와 위스콘신 대학의 교수가 되었다. 그의 가족은 불행이도 유대인 대학살 때 희생되었다.

그 는 위스콘신 대학에서 갑자기 종적을 감추었는데 아무도 모르게 로스앨러모스로 가 맨허튼 계획에 참여하고 있었던 것이다.

원자탄의 위력에 공포를 느낀 세계는 더 이상 핵무기를 사용해서는 안 된다고 생각했다.

1950년 3월 스톡홀롬에서 열린 세계평화 애호대회에서 원자 병기를 사용하는 것은 인류의 자살행위이며 인류에 대한 범죄라고 선언했고 , 이 선언은 큰 호응을 얻었다. 그럼에도 불구하고 미국은 적대국이 수소폭탄을 앞서 갖게 될 가능성에 대비하여 막대한 예산을 들여 핵무기 개발을 계속했다. 수소폭탄 개발 계획은 아이비마이크라는 함호명으로 비밀리 로스 앨러모스 연구소에서 진행 되었다, 이때부터는 거대한 컴퓨터도 동원되었다, 3중수소는 원자로속에 리듐(Li)을 넣어야 생산되고, 3중수소와 중수소의 핵을 융합하려면 우라늄238를 폭발시켜 고열을 얻어야 했다.

미국의 수소폭탄구조는 중심부에 재래식 원자폭탄을 설치하고 그 주위를 중수소화리튬(Li2H)으로 싼것을 다시 천연 우라늄238로 둘러싼다. 중심부의 원자탄이 폭팔하면 중성자(n)가나오면서 리듐을 삼중수소(3H)와 헬륨(4He)으로 만든다. 이 때 생겨난 3중수소는 중수소(2H)와 충돌하여 헬륨이 되면서 에너지를 방출한다.

 

2H +2H->3H+n

6Li +n=3H+4He

3H +2H=4He+n

 

위의 화학식처럼 삼중수소 1개와 중수소 1개가 융합하면 1개의 헬륨핵과 중성자 1개가 발생하면서 아인슈타인의 방정식을 따르는 막대한 에너지가 방출된다. 이러한 핵융합반응을 촉발시키려면 섭씨 6,000만도 이상의 온도가 필요하다.

1952년 11월1일 미국은 드디어 수소폭탄(아이비마이크)을 완성하여 태평양의 산호섬 에니위탁에서 성공적으로 실험했다. 텔러-울람 디자인으로 불리는 이 수소폭탄은 오늘날의 수소폭탄 보유국 5개나라(미국,영국,러시아.프랑스.중국)가 같은 디자인으로 제조하는 것으로 알려져있다. 에니위탁섬에서 터뜨린 수소폭탄(LuLu)은 TNT300만톤(3Mt급 수폭)의 위력이었으며 폭발 때 일루겔럽섬이 완전히 사라져 버렸다.

(더 비밀스런 소련의 핵무기 개발)

미국이 수소폭탄 실험에 성공한 다음해 1953년 스탈린의 후계자로 등장한 몰로토프가 소련도 수소폭탄을 개발했다 고 발표했다. 그날로부터 1주일 후 북극해 랭길 섬 근처에서 강력한 폭발이 지진계에 탐지 되었다. 당시 소련의 수소폭탄 성능은 미국보다 훨씬 앞선 것으로 판단되었다. 바로 다음해인 1954년3월, 미국은 태평양의 비키니 섬에서 소련의 것보다 더 위력적인 수소폭탄 실험에 성공했다. 이 신무기 1개는 뉴욕과 같은 대도시를 한번에 잿더미로 만들 것이라는 평도 나왔다.

 

수소폭탄의 별칭 열핵폭탄

수소폭탄은 원폭과 달리 핵분열에 의해 위력이 발생하는 것이 아니고, 핵의 융합에 의해 에너지가 발생한다. 핵융합은 바로 태양에서 일어나는 반응과 같은 것이다. 태양으로부터 오는 막대한 에너지는 매초 500만 톤 정도의 수소 핵이 융합하여 나오는 것이다.

태양은 전체부피의 액92%가 수소이다. 과학자들의 연구에 따르면 태양은 약50억 년 전에 탄생했고 앞으로 50억년은 더 수소를 태우며 핵융합 반응을 진행할 수 있을 것이라고 한다.

위에서 나타낸 것처럼 핵융합은 수소와 같은 가벼운 원소의 핵이 융합하여 무거운 원소(헬륨)로 될 때 손실된 질량이 에너지로 변하는 것이다. 수소탄 제조에서 가장 어려운 문제는 그것을 폭발시키는 기폭제를 만드는 것이다. 기폭제란 핵융합이 일어나도록 하는 높은 온도(섭씨 약 6,000만도 이상)를 얻는 장치이다. 현재의 방법으로 이정도의 고온을 얻으려면 원자탄을 폭발 시켜야만 한다. 그러므로 수소폭탄은 그 자체만 아니라 원자폭탄까지 겸하고 있다. 이런 수소폭탄이 폭발하면 가공할 열과 폭풍이 발생하고 방사선 낙진이 생겨 주변의 물체만 아니라 물과 공기까지 방사성을 띠게 하므로 오염의 위험이 상상하기 어렵도록 크다.

수소폭탄을, 열핵폭탄이라 부르는 것은 폭발 시에 고온이 필요하기 때문이다.

미국 비키니 섬에서 실험한 수소 폭탄은 17MT급이었는데, 이것은 히로시마에 투하한 원자폭탄의850배에 해당하는 위력을 가지고 있었다.

수소폭탄이 발명되자 사람들은 이것이 궁극의 무기 일 것이라고 생각했다. 그러나 강대국들은 핵탄두의 수를 늘리고, 그것을 보다 멀리 운반하는 미사일을 개발하는 한편 더욱 무서운 코발트탄,3F탄(더러운 수폭), 중성자탄 등의 핵무기를 계속하여 경쟁적으로 개발했다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

차르 봄바 시험 투하

1961년 10월 30일, 북극해 노바야제믈랴제도 수소폭탄

오전 11시 32분 4.2㎞ 상공에 강력한 폭음과 함께 거대한 불덩이가 생겼습니다.

사상 최강의 수소폭탄인 '차르 봄바'가 폭발한 것인데요, 이 엄청난 핵폭탄은 100㎞ 바깥에서도3도 화상을 입을 정도의 열을 발생시켰고, 그 후폭풍은 1,000㎞ 떨어져 있는 핀란드 건물 유리창을 깰 정도였습니다.

700㎞ 떨어진 곳에서도 충격파가 감지됐고, 폭발에 의한 지진파는 지구를 세 바퀴나 돌았다고 합니다..

히로시마보다 3333배…러시아 ‘황제 폭탄’ 실험 60년 만에 공개 (영상)

▲ 인류 역사상 최대 규모의 인공폭발을 일으킨 러시아 ‘차르 봄바’ 실험 장면이 공개됐다./사진=러시아 국영 원전기업 로사톰(ROSATOM)

인류 역사상 최대 규모의 인공폭발을 일으킨 러시아 ‘차르 봄바’ 실험 장면이 공개됐다. 25일(현지시간) 뉴욕타임스는 냉전이 한창이던 1961년 구소련이 터트린 ‘차르 봄바’ 관련 자료가 60년 만에 기밀 해제됐다고 보도했다.

러시아 정부가 60년 가까이 최고 기밀에 부쳤던 ‘차르 봄바’ 실험 장면은 20일 러시아 국영 원전기업 로사톰(ROSATOM)이 창립 75주년을 기념해 일반에 공개했다. 영상은 40분 분량의 다큐멘터리 형식이다

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1961년 10월 30일 구소련은 북극해 영토 노바야제믈랴 제도에서 핵실험을 강행했다. 미국에 기술력을 과시하기 위함이었다. 무게 27톤짜리 수소폭탄을 그냥 땅에 떨구면 폭격기 파일럿의 안전은 물론 지진 피해 우려가 있어 낙하산에 매달아 공중에서 투하했다.

파괴력은 티엔티 5000만 톤(TNT 50 Mt)으로 히로시마 원자폭탄보다 3333배 더 강력했다. 해발 4.2㎞ 높이에서 터진 폭탄은 반경 35㎞ 내 모든 것을 완전히 파괴했다. 버섯구름은 세계 최고봉 에베레스트산 높이의 7배가 넘는 67㎞ 상공까지 치솟았다. 그 폭도 40㎞에 달했다. 폭발 충격으로 1000㎞ 떨어진 핀란드의 유리창이 깨졌고, 규모 5.0 지진이 발생했다. 폭발이 일으킨 지진파는 지구를 세 바퀴나 돌았다.

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인류 역사상 최대규모의 인공폭발이었다. 폭탄에는 ‘차르 봄바’(Царь-бомба)라는 이름이 붙여졌다. 황제 폭탄이라는 뜻이다. 이번에 공개된 영상에서는 지구상 가장 강력한 무기 ‘차르 봄바’가 인류 역사상 가장 큰 파괴력을 자랑하는 것을 확인할 수 있다. 폭탄은 번쩍하는 빛과 함께 20여 초 후 사방으로 버섯구름을 퍼뜨렸다.

차르 봄바 실험 후 미국은 그보다 더 강력한 폭탄을 만드는 대신, 대기권에서의 핵실험을 금지하는 조약에 서명했다. 1963년 미국과 영국, 구소련 3국이 체결한 부분적 핵실험금지조약(PTBT)은 대기권과 지상, 수중에서의 핵실험을 금지하는 것을 골자로 했다.

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그러나 지하에서의 핵실험은 규제할 수 없다는 비판에 따라 1996년 국제연합(UN) 총회에서 포괄적 핵실험금지조약(CTBT)이 채택됐다. CTBT는 우주와 대기권, 수중, 지하 등 모든 장소에서 그 어떤 형태의 핵실험도 하지 못하도록 하는 것을 주요 내용으로 한다. 특히 기존 핵무기 안전 여부를 점검하는 안전실험은 물론 극소규모의 실험까지 금지한다.

현재까지 166개국이 비준했지만 아직 발효는 되지 않았다. 핵 보유 및 핵 개발 국가 44개국이 비준해야 발효가 되는데, 미국과 중국, 이란, 이스라엘, 이집트 등 5개국이 비준하지 않았고 북한, 인도, 파키스탄 3개국은 서명도 하지 않은 상태다.

권윤희 기자 heeya@seoul.co.kr

입력 : 2020.08.27 11:23 ㅣ 수정 : 2020.08.27 13:13