원자폭탄

Atomic Bomb, 原子爆彈

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"우리는 이제 모두 개자식이야."("Now we are all sons of bitches.")

- 케네스 베인브리지. 맨해튼 계획 이후 자괴감에 빠진 채 한 말.

"화약의 발명? 그건 별거 아니였어요. 전기는 또 어땠습니까? 아무것도 아니었어요, 이 원자폭탄이란 것에 비하면. 이건 그야말로 분노의 재림입니다."

- 원자폭탄에 관한 보고서를 읽은 처칠의 감탄사

1 개요

핵분열 반응을 이용한 핵무기. 원자폭탄, 원자 폭탄, 원폭, 핵폭탄 등으로 부른다. 기술적으로나 국제적으로나. 사실 고정밀 컴퓨터 제어 CNC 등이 비교적 일반화된 현재로서는 제작 자체가 아주 어렵지는 않...기는 개뿔. 함부로 이런 소리하다간 무식하단 소리만 듣는다. 예를 들어 첨단 반도체나 항공기 같은 높은 수준의 기술, 심지어 스텔스 기술마저도 원리 자체는 개나소나 손에 넣을 수 있지만 그걸 실용화하는 것은 전혀 다른 문제다. 핵무기 역시 마찬가지로 원리가 알려져 있다고 기술적 이론이 간단한 게 절대 아니다. 비유하자면 열역학 개론 수업듣고 화력발전소 지을 수 있다고 떠드는 것과 동급이다. 유독 핵무기에서 이런 주장이 많이 나오는데 아마도 방사선에 대한 공포로 도저히 실용화라고 볼 수 없는 수준이라도 위협요소로 느끼기 때문으로 보인다. 당장 제대로 된 기술 없이는 효율이 떨어지는 정도가 아니라 기폭 자체가 안 될 가능성이 높다. 게다가 원료를 구하는 것도 어렵고, 세계 강대국의 치열한 견제까지 덤으로 딸려온다 는 것도 문제.

수소폭탄과 혼동하는 경우도 있는데, 수소폭탄은 핵융합 반응을 노리는 것이기에 근본적인 원리가 다르다. 단, 핵융합을 시작하기 위해서는 1억 도에 달하는 고온이 필요하고 이런 온도를 얻을 수단이 현재로서는 원자폭탄 밖에 없기 때문에, 현재까지 제작된 모든 수소폭탄은 원자폭탄을 기폭장치로 사용한다. 원자폭탄을 기폭장치로 쓸 정도면...

2 역사

원자폭탄이 만들어진 원인은 히틀러의 나치 독일에 대한 미국 및 영국의 두려움이었다.

2.1 독일의 원자폭탄 개발에 대한 우려와 그 실상

독일은 1939년 제2차 세계대전 발발 당시 세계에서 제일 핵물리학이 발달한 나라였고, 우라늄에 의한 핵분열이 가능하다는 최초의 연구 결과 역시 2차 세계대전 발발 직전 독일에서 나왔다. 여기에 1940년 프랑스 침공의 결과 벨기에를 지배하에 두게 된 상태였는데, 하필 벨기에는 당시 세계 최대이자 고품질 우라늄광이 있는 자이르를 식민지로 두고 있어서, 원자폭탄 1~2발을 만들 수 있는 약 1천 톤 이상의 천연우라늄을 확보한 상태였다. 여기에 자이르 우라늄 광산 못잖은 고품질 우라늄 광산인 오스트리아의 요아힘슈탈 광산 역시 독일의 지배하에 있으므로 원료 확보에는 큰 문제가 없었다. 또한 당시 핵분열 실험을 위해 필수적이라고 생각되던 물질인 중수의 생산시설 또한 갓 독일이 점령한 노르웨이에 있었다. 그 결과 미국에 머물던 반나치 핵물리학자들은 독일이 만약 1939년부터 원자폭탄 개발에 착수했다면 1943년 이전에 원자폭탄을 개발할 수 있으리라고 생각하게 되었다.

당시만 해도 망상에 가까운 우려였지만, 이 문제를 진지하게 생각하고 있던 물리학자들은 핵무기 개발 권고를 당시 세계에서 제일 유명한 물리학자였던 알베르트 아인슈타인의 명의로 미국 정부에 제출했고, 이 권고를 받아들인 미국은 맨해튼 계획을 발동시켜 최종적으로는 약 20억 달러의 비용 투자를 감수하며 본격적인 핵무기 개발에 착수했다.

그런데 정작 맨하탄 프로젝트의 발동 원인이 된 독일의 핵물리학자들은 계획의 지휘자격인 하이젠베르크의 의도된 것인지 아닌지 알 수가 없는 삽질을 포함해서 갖가지 과학적 오류로 인해 많은 문제를 안고 있었으며, 결과적으로 원자폭탄 개발을 제대로 진척시키지 않고, 혹은 못하고 있었다. 많은 사람들은 하이젠베르크 등이 의도적으로 태업을 한 것은 사실로 인정하면서도, 설사 그들이 전력으로 달려들었더라도 원자폭탄 개발에 성공하지는 못했을 것으로 보고 있다. 물론 이는 원자폭탄 개발에 무엇이 필요한지를 아는 후세인들의 평가이며, 당시의 독일 과학자들은 어떤 어려움이 도사리고 있는지 몰랐을 가능성이 높다.

가장 문제가 된 것은 비효율적인 반응로 설계 문제였다. 이 반응로는 하이젠베르크의 작품이었는데, 그는 이 설계도를 고의로 연합국에 노출시킴으로서 독일의 핵개발 계획을 세계에 알린 장본인이 되기도 했다. 그러나 이 반응로가 매우 비효율적이라 임계 상태에 도달하기 어렵다는 사실보다는 독일이 핵분열 에너지를 이용하려 한다는 우려가 절대적으로 고평가되었다.

이 문제 때문에 일부 학자들은 하이젠베르크가 독일의 핵개발 능력이 생각보다 형편없다는 것을 연합국에 알리려 했다가 역효과만 부른 것이 아닌가 추측하고 있다. 물론 진실은 불분명하며, 다만 하이젠베르크는 전후 네이처 지에 기고한 독일의 핵개발 역사 관련 기사에서 우리는 폭탄을 만들 능력 자체가 없었다고 회고했을 뿐이다.

그 외에도 예컨대 독일 과학자들은 감속재로 중수만을 사용해야 한다는 잘못된 결론을 내렸다. 실제로는 흑연도 사용할 수 있었으나, 흑연은 일부 과학자들의 잘못된 실험 결과 때문에 조기에 배제되었던 것이다. 게다가 국력 문제 때문에 실제 핵무기 개발에 이르기도 어려웠을 것으로 보이며, 심지어 미국이 우려하고 있던 바와는 달리 히틀러 정권이 들어선 이후로 핵물리학을 연구하던 많은 유대인 학자들이 유대인이라는 이유만으로 학계에서 추방되었고 결과적으로 핵물리학에 대한 투자 자체가 매우 빈약해진 상태였다. 심지어 1905년 노벨 물리학상 수상자인 필립 레나르트가 유대인의 학문인 핵물리학 따위를 어떻게 믿느냐는 황당한 견해를 보이기도 하였다.

심지어 핵물리학 연구의 기본 장비랄 수 있는 사이클로트론조차 없어서, 1942년에 세계 최대급 사이클로트론 건설 예산을 주겠다는 알베르트 슈페어의 제안을 받자 오히려 아직은 제대로 만들 수 없을 테니 제발 조그만 것부터 시작하자며 당황할 정도였다. 결국 종전 때까지 독일이 사용할 수 있었던 사이클로트론은 프랑스 점령지에 있는 것을 제외하면 하이델베르크 대학의 단 1개 뿐이었다.

그 결과 독일이 벨기에에서 손에 넣었던 천연우라늄 및 광석 전량이 처음 독일 손에 들어갔을 때 상태 그대로 미국의 수중에 떨어질 정도로 독일은 핵무기 또는 핵에너지 개발에 기초적인 접근조차 달성하지 못했다. 여기에 독일의 핵무장을 조직적으로 방해하기 위한 영국의 특수작전으로 독일은 전쟁이 끝날 때까지 중수를 수 톤도 제대로 확보하지 못하는 등 외부적인 요인 덕분에 설사 전폭적인 지원과 독일 과학자들의 적극적인 협력이 있었다 해도 실제 역사에서 벌어졌던 수준 이상의 연구 성과는 거둘 수도 없었을 것이다.

여담이지만 독일에서 일본으로 향한 마지막 수송잠수함인 U-234에 핵물질(공식적으로는 산화우라늄)이 적재돼 있었다. 이 물질의 정체는 지금까지 특별히 공개되지 않은 상태에서 몇 가지 산화우라늄으로 보기 어려운 조사 결과가 일부 발표되었기 때문에, 일부 음모론자는 이 물질이 우라늄 산화물이 아닌 라듐이라고 추정하고 있다. 라듐은 반감기가 다른 핵물질에 비해 비교적 짧은 6년이고, 또한 반감기가 짧은 것 이상으로 방사능 역시 매우 강하며, 알파 붕괴를 거쳐 기체 상태의 방사성 물질인 라돈이 되기 때문에, 가격 문제를 고려하지 않을 경우 더러운 폭탄의 재료로 매우 좋다. 이 물질을 적재한 잠수함이 미군에 투항하고 약 1주일 후에 일본에 대한 원폭 사용이 공식적으로 결정되었기 때문에, 미국의 핵공격에 이 핵물질의 정체가 어느 정도 작용했다는 주장도 있다. 물론 명확한 근거는 없다.

2.2 원자폭탄의 사용

이렇게 해서 등장한 원자폭탄은 제2차 세계대전 막바지에 일본의 히로시마와 나가사키에 각각 1발씩 투하되었다. 이후 한국전쟁을 비롯해서 여러 차례 쓰일 뻔했지만 결국 전쟁시의 파괴 목적으로는 전혀 쓰이지 않았다. 적어도 소련의 핵무기 개발 이전까지는 핵무기가 쓰일 만한 상황이 발생하지 않았고, 그 이후 핵무기의 사용은 핵 도미노를 일으킬 것이라는 우려가 조기부터 제기되었기 때문이다. 이런 우려를 이용한 평화유지 전략이 바로 상호확증파괴 전략이며, 이런 전략이 처음으로 제기된 것도 바로 저 맨하탄 계획 때의 물리학자들에게서이다.

2.3 일본의 2차대전 당시 핵무기 개발 의혹

미국은 독일에 이어서 일본이 핵무기를 개발했는지, 혹은 어느 정도 연구가 진행됐는지를 알아보기 위해 종전 직후인 1945년 9월 7일에 '그룹 3'이라고 명명된 조사단을 도쿄에 파견했다. 조사단의 목적은 다음과 같았다.

A. 일본 핵물리학 수준 평가
B. 우라늄 235나 플루토늄 수색
C. 소련 핵무기 개발에 대한 일본의 정보 수집 여부

이들 조사단은 일본 핵물리학자들을 심문하는 한편, 해외에서 실어나른 우라늄 원광과 일본 대학들을 돌며 해당 대학의 사이클로트론 보유 현황 및 상태 등을 조사하였다. 약 두어 달에 걸친 조사 끝에 이들은 최종 보고서에서 "일본의 핵무기 개발 수준은 미국에 미치지 못한다"라고 결론내렸으며, 또한 이에 대해 일본의 기술 개발 여건 미비와 일본군의 육해군 대립 등을 그 이유로 꼽았다.

다만 이에 대해 이의를 제기하는 이들도 있는데, 이들에 의하면 소련의 원자탄 제조 기술에 만주 작전 이후 남하하는 과정에서 흥남에서 개발중이던 일본의 핵무기 및 기술을 입수한 것이 영향을 끼쳤다는 것으로, 여기에 따르면 일본 해군의 주도로 흥남 일대에서 핵무기 제조 및 발사 수단 제조를 연구하고 있었고 또한 상당한 수준에 이르렀다(흥남 앞바다에서 수상 핵실험도 성공했다고 주장한다)고 얘기하고 있다.

그러나 이러한 주장의 저변에는 소련의 핵무기 개발에 대한 미국의 충격과 그에 대한 변명거리 찾기, 한편으로 일본측의 정신승리 자화자찬이 섞인 대목이 많이 보이며, 또한 핵무기 투발에 대해서도 '당시 일본의 제트기 및 로켓 기술은 소련과 미국마저도 앞서 있었다'고 구라 얘기하면서 한편으로는 '소형 선박으로 미국 서해안까지 도달해 카미카제 특공대가 자살폭탄 공격을 가한다'는 식의 허황된 얘기를 하는 등 여러가지 이유로 신빙성에 의심을 받고 있다.

이외에도 니고연구란 떡밥도 있다. 자세한 것은 해당 항목 참고.

3 기본 방식

대체로 우라늄(원자번호 92)과 플루토늄(원자번호 94)을 사용해 만든다. 아무거나 되는 건 아니고 핵분열이 쉽게 일어날 수 있는 우라늄-235나 플루토늄-239 같은 방사성 동위원소를 쓴다. 우라늄의 경우 천연 우라늄의 극히 일부인 우라늄-235를 따로 추출해 사용하며 플루토늄의 경우 원자로 안에서 우라늄-238에 중성자맞은 물건이 변신한 것을 따로 모아 사용한다.

이런 류의 물질들은, 자체 스스로 서서히 붕괴하기도 하지만(우라늄은 45억년이 지나면 절반으로 줄어든다) 적당한 덩어리로 모아두면 내부 붕괴 과정에서 나오는 중성자의 수가 중성자를 맞고 부서지는 원자 수보다 많아지게 되므로, 이름하여 연쇄 반응을 일으키게 된다. 1-2-4-8-...식으로 매우 폭발적인 반응을 일으키게 되는 질량 한계를 임계질량이라고 부른다. 결과는 대폭발. 그리고 이 반응은 화학반응을 이용하는 화약류와 달리 알베르트 아인슈타인의 E=MC² 공식을 따르기 때문에 나오는 에너지량이 무지막지하다.

히로시마에 떨어진 리틀 보이는, 작은 덩어리들을 합쳐 큰 덩어리(>임계 질량)를 만드는 법을 사용했다. 나가사키에 떨어진 팻 맨은 폭약으로 내파를 이용해 임계 이하의 덩어리를 순간적으로 압축해 이 과정에서의 내파압을 이용해 핵분열 반응이 최대한 지속될 수 있도록 덩어리를 유지하는 방식을 썼다. 요즘은 후자의 방법을 더 많이 사용하며, 과거에 이 두 폭탄이 길이가 3m가 넘는 초대형폭탄이였던 것에 비해, 지금은 기술의 발달로 작은 건 30cm 정도의 크기이다.

따라서, 이걸 만들기 위해서는 다음 단계를 거친다.

1. 핵분열 물질을 모은다. 우라늄의 경우 원광이 많이 필요하고 그거 분류 정제하는데 꽤 공이 많이 들지만, 플루토늄의 경우는 그냥 원자로 하나하고 차폐된 소규모 재처리 시설로도 가능하다. 영변에 있다는 것이 그거. 영변에는 폭탄만들기 딱 좋은 RBMK와 더불어 마그녹스도 있었다...

2. 폭탄을 설계하고 제작한다. 이건 내파가 가능한 형태의 소형 폭탄을 만드는 것과 동일하다. 나가사키에 떨어진 Fatman이 이 물건. 단, 내파가 됐는지 안됐는지는 제대로 된 데이터를 가지고 있는 경우 컴퓨터 시뮬레이션만 갖고도 된다지만 (미국) 그게 없는 나라는 그냥 터뜨려보기 전엔 모른다. 제대로 안터지면 원하는 핵분열 반응 대신 그냥 방사성물질만 주변에 좍 뿌려버리거나 핵분열반응이 찍~ 하고 마는 더티밤으로 끝나게 된다.
문제는, 이 내파를 극도로 고르고 정확하게 생성해야 하는데, 이것이 매우 힘들다. 정밀한 내파반사용 렌즈를 만들어야 한다. (중성자반사재가 있으면 더 쉽다.)

3. 그걸 나를 준비를 한다. 전략 폭격기-ICBM-SLBM 세가지를 다 갖고 있는 나라는 몇 안된다. 그리고 제대로 경량화가 안된 초기형 원자폭탄은 미사일에 싣기엔 너무 무겁다. 폭격기에 싣기도 사실 벅차다.

4. 여기까지가 기술적인 문제고, 이걸 다 할 자신이 있으면 도전하기 전에 미국을 말이나 돈이나 무력 중에 하나 이상을 동원해 뚫어야 한다(자타공인 재래식 및 핵전력에서 세계 최강을 자랑하는 미국을 무력으로 뚫을 생각을 한다면 당신의 머릿속 상태를 한번 진지하게 검토해야 할 상황일 것이다). 미국 입장에서는 지금 핵 있는 나라도 부담되는 판에 더 생기면 어쩌잔 말이야. 따라서 핵무기 확산 방지에 편집증적인 집착을 가진 미국의 생각을 돌리는건 전혀 쉬운 일이 아니다. 사실, 1~3은 어떻게든 되는 나라는 그럭저럭 있으나, 대부분이 4에서 막혀서 관두고 있기에 핵무기 보유 국가가 얼마 없는 것이다.

구 소련도 영국도 프랑스도 이스라엘도 전부 미국을 뚫어서 만들었다. 중국은 소련과 미국에서 기본 정보를 빼왔고, 인도와 파키스탄은 알려진 정보와 적절한 스파이 행위와 암시장 구매물픔과 근성으로 만든 것으로 알려져있다. 남아공은 만들었었다가 아파르트헤이트와 함께 포기했고. WMD라고 줄여 말했지만, 미국이 시시한 생화학무기 따위를 WMD라고 부를 거 같은가?

참고로 대한민국의 경우에는 박정희 전 대통령이 만들려고 했던 것은 사실이지만 이휘소 박사가 연관되었다는 것은 구라이며, 여하간 10.26 이후 전두환 정권이 들어서면서 역시나 4에서 막혀서 중단되었다.

4 위력

• 원자폭탄/위력 문서 참고.