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증폭형 핵분열탄

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목차

1. 개요

증폭형 핵분열탄은 핵분열 반응의 효율을 높이기 위해 핵융합 물질을 결합한 핵무기이다. 1940년대 후반에 개발되었으며, 핵분열 물질의 중심부에 소량의 중수소-삼중수소 혼합물을 배치하여 핵분열 반응으로 발생하는 고온, 고압으로 핵융합 반응을 유도한다. 핵융합 반응에서 생성된 고에너지 중성자는 핵분열 반응률을 증폭시켜 핵분열 효율을 높이고, 핵무기의 소형화 및 안정성 향상에 기여한다. 현대 핵무기의 대부분은 이 기술을 사용하며, 핵융합 증폭을 통해 핵분열 무기의 효율을 크게 향상시켰다. 삼중수소는 반감기가 짧아 주기적인 유지 보수가 필요하다.

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증폭형 핵분열탄

2. 역사

증폭 핵분열탄은 1947년 말부터 1949년 말까지 미국의 로스앨러모스 연구소에서 처음 개발되었다.[3]

2. 1. 개발 배경

증폭 방식은 1947년 말부터 1949년 말까지 로스앨러모스 연구소에서 처음 개발되었다.[3] 증폭의 주요 이점은 핵무기를 더 작게 만드는 것이다. 핵분열 물질이 자체적으로 붕괴되기 전에 빠른 중성자를 갑작스럽게 유입시켜 임계 핵폭발에 필요한 최소 가둠 시간을 줄일 수 있기 때문이다. 이를 통해 알루미늄 푸셔, 우라늄 탬퍼, 그리고 이를 밀어 넣는 데 필요한 폭발물과 핵분열성 물질을 초임계 상태로 만들 필요가 없어진다. 부피가 큰 팻 맨은 약 1.52m의 직경을 가지고 있으며, 내폭을 위해 약 2721.55kg의 고성능 폭약을 필요로 했던 반면, 증폭된 핵분열 1차 장치는 W88과 같은 소형 핵탄두에 장착하여 열핵 2차 장치를 점화할 수 있다.

핵분열탄에서 핵분열성 연료는 균일한 구형 내폭으로 빠르게 "조립"된다. 이 내폭은 일반적인 폭약을 사용해 생성되며, 초임계 질량을 생성한다. 이 상태에서 핵분열하는 핵에서 방출된 많은 중성자는 연료 질량 내의 다른 핵의 핵분열을 유도하여 추가적인 중성자를 방출하고, 이는 연쇄 반응으로 이어진다.

융합 부스팅은 트리튬과 듀테륨 가스를 도입하여 달성된다. 고체 중수소화 리튬-트리튬 또한 경우에 따라 사용되었지만, 가스는 더 많은 유연성을 제공하며 핵분열 연료 구체의 중심에 있는 속이 빈 공간이나 외부 층과 "공중에 떠 있는" 내부 코어 사이의 틈에 내폭 직전에 주입할 수 있다. 핵분열 연료의 약 1%가 핵분열될 즈음에 온도가 충분히 높아져 열핵 융합을 유발하여 비교적 많은 수의 고에너지 중성자를 생성한다. 이러한 중성자의 유입은 연쇄 반응의 후반 단계를 가속화하여 임계 질량이 폭발로 해체되기 전에 핵분열성 물질의 약 2배를 핵분열시킨다.

중수소-트리튬 융합 중성자는 평균 핵분열 중성자보다 7배 더 강력하며,[4] 핵분열성 물질에 포획되어 핵분열을 유도할 가능성을 훨씬 높게 만든다. 결과적으로, 코어 내에서 중성자 개체수가 두 배가 되는 시간은 약 8배 감소한다.

융합 부스팅 핵분열 폭탄은 또한 인근 핵폭발로 인한 중성자 방사선에 면역이 될 수 있으며, 이는 다른 설계를 미리 폭발시켜 높은 수율을 달성하지 못하고 자체적으로 파괴될 수 있다. 수율 대비 무게 감소와 방사선 면역의 조합은 대부분의 현대 핵무기가 융합 부스팅되도록 보장했다.

융합 반응 속도는 일반적으로 20~30 메가켈빈에서 유의미해진다. 핵분열성 물질의 1% 미만이 핵분열되었을 때 (수백 톤의 TNT 범위의 수율에 해당) 매우 낮은 효율로 도달한다. 내폭 무기는 임계 시점에 중성자가 존재하더라도 이 범위의 수율을 달성하도록 설계할 수 있으므로, 융합 부스팅은 사전 폭발에 면역인 효율적인 무기의 제조를 허용한다.

한 무기 설계자에 따르면, 부스팅은 1945년 이후 핵분열 무기의 효율이 현저하게 100배 증가하는 데 주로 기여했다.[7]

3. 원리

증폭형 핵분열탄은 핵분열 물질 중심부에 소량의 중수소-삼중수소 혼합물을 배치하여 핵분열 반응을 증폭시키는 원리를 이용한다. 외부 폭약이 폭발하면 핵분열 물질이 압축되어 핵분열 연쇄 반응이 시작된다. 이때 발생하는 고온, 고압으로 인해 중수소와 삼중수소가 핵융합 반응을 일으킨다. 핵융합 반응에서 생성된 고에너지 중성자는 핵분열 반응률을 크게 증폭시켜 더 많은 핵분열을 유도한다.[4]

핵융합 반응은 일반적으로 20~30 메가켈빈에서 유의미해진다. 이 온도는 핵분열성 물질의 1% 미만이 핵분열되었을 때 도달하며, 융합 부스팅은 사전 폭발에 면역인 효율적인 무기의 제조를 가능하게 한다. 1945년 이후 핵분열 무기의 효율이 100배 증가하는 데 부스팅이 주로 기여했다.[7]

중수소-삼중수소 융합 중성자는 평균 핵분열 중성자보다 7배 더 강력하며, 핵분열성 물질에 포획되어 핵분열을 유도할 가능성을 훨씬 높게 만든다. 이는 다음과 같은 이유 때문이다.[4]

# 핵융합에 의한 고에너지 중성자가 핵분열성 핵을 타격하면, 핵분열에 의해 훨씬 더 많은 수의 2차 중성자가 방출된다 (예: 플루토늄-239의 경우 4.6개 대 2.9개).

# 이러한 중성자가 핵분열성 핵과 상호 작용할 가능성은 핵분열 반응의 전형적인 저에너지 중성자보다 높다.

결과적으로, 코어 내에서 중성자 개체수가 두 배가 되는 시간은 약 8배 감소한다.

융합 부스팅의 기여는 1몰의 트리튬 (3그램)과 1몰의 듀테륨 (2그램)의 완전한 융합이 1몰의 중성자 (1그램)를 생성한다는 점을 통해 알 수 있다. 이 중성자는 1몰 (239그램)의 플루토늄을 직접 핵분열시켜 4.6몰의 2차 중성자를 생성할 수 있으며, 이는 다시 4.6몰의 플루토늄 (1,099 g)을 핵분열시킬 수 있다. 이렇게 1,338g의 플루토늄이 처음 두 세대에서 핵분열되면 23[5] 킬로톤의 TNT 등가물 (97 TJ)의 에너지가 방출된다.[6]

3. 1. 구조

중심부에 중수소와 삼중수소 혼합물이 위치하며 이를 플루토늄-239가 감싸고 있다. 이를 리튬-6이 둘러싸고 있다. 또 우라늄-238이 탬퍼로 작용하는데 리튬과 플루토늄-239 사이에는 진공이 존재하고 이는 고르게 압축하는데 도움을 주기 위함이다.

3. 2. 폭발 순서

먼저 외부의 고폭(고속/저속)이 폭발하면 충격파와 폭발력으로 보라색의 비분열성 우라늄-238(탬퍼)이 구 중심으로 압축된다.(진공은 압축을 고르게 해주는 역할)[1]

임계 질량 이하의 플루토늄-239는 압축당하면서 원자 간의 간격이 가깝게 되고 자발 중성자에 의해 연쇄 반응이 시작되는데, 미임계 질량이라도 압축하면 임계에 도달하여 연쇄 반응을 시작하게 된다.(내폭형 원자폭탄처럼)[1]

구 중심에 있는 중수소, 삼중수소는 핵분열에 의해 고온(1천만도 이상)에 이르게 되어 핵융합을 시작한다. 중수소+삼중수소는 핵융합(핵융합하면 헬륨-4로 변환)을 하고 남은 잉여 중성자(80%)가 발생하는데 이 중성자 일부는 핵분열에 이용되어 핵분열 효율을 높인다. 자세한 핵분열 반응은 핵분열 문서를 참고한다.[1]

참고로 증폭 핵분열탄은 핵융합을 이용하지만 어디까지나 거기에서 발생한 잉여 중성자를 이용하는 것이고 수소폭탄은 핵융합 에너지가 핵폭발의 주가 된다는 점에서 차이는 존재한다.[1]

4. 핵융합 증폭의 효과

핵융합 증폭은 핵무기의 효율과 성능을 크게 향상시키는 기술이다. 핵융합 반응에서 생성되는 다량의 고에너지 중성자는 핵분열 반응을 촉진하여 다음과 같은 효과를 낸다.


  • 핵분열 효율 증가: 핵융합으로 생성된 고에너지 중성자는 핵분열 반응 단면적을 증가시켜 더 많은 핵분열을 일으킨다.
  • 이 고에너지 중성자가 핵분열성 핵을 타격하면, 핵분열에 의해 훨씬 더 많은 수의 2차 중성자가 방출된다 (예: Pu영어-239의 경우 4.6개 대 2.9개).
  • 이 중성자가 핵분열성 핵과 상호 작용할 가능성은 핵분열 반응의 전형적인 저에너지 중성자보다 높다. 핵분열 반응 단면적은 고에너지 중성자에 대해 절대적인 측면과 포획 단면적의 비율 모두에서 더 크다.
  • 핵무기 소형화: 더 적은 양의 핵분열 물질로도 높은 폭발력을 얻을 수 있어 핵무기를 작게 만들 수 있다. 부피가 큰 팻 맨은 약 1.52m의 직경을 가지고 있으며, 내폭을 위해 3톤의 고성능 폭약을 필요로 했던 반면, 증폭된 핵분열 1차 장치는 W88과 같은 소형 핵탄두에 장착할 수 있다.
  • 조기 점화 방지: 핵융합 반응은 핵분열 반응 초기에 시작되어, 불순물에 의한 조기 점화를 억제하고 안정적인 폭발을 돕는다. 핵분열탄에서 핵분열성 연료는 균일한 구형 내폭으로 빠르게 "조립"된다. 이 내폭은 폭발 렌즈를 사용하여 생성되며, 임계 질량을 생성한다. 이 상태에서 핵분열하는 핵에서 방출된 많은 중성자는 연료 질량 내의 다른 핵의 핵분열을 유도하여 추가적인 중성자를 방출하고, 이는 연쇄 반응으로 이어진다. 융합 부스팅은 트리튬과 듀테륨 가스를 도입하여 달성된다. 핵분열 연료의 약 1%가 핵분열될 즈음에 온도가 충분히 높아져 열핵 융합을 유발하여 비교적 많은 수의 고에너지 중성자를 생성한다. 이러한 중성자의 유입은 연쇄 반응의 후반 단계를 가속화하여 임계 질량이 폭발로 해체되기 전에 핵분열성 물질의 약 2배를 핵분열시킨다.
  • 중성자 방사선 면역: 주변 핵폭발로 인한 중성자 방사선에 대한 면역성을 높여, 핵무기의 신뢰성을 향상시킨다. 융합 부스팅 핵분열 폭탄은 또한 인근 핵폭발로 인한 중성자 방사선에 면역이 될 수 있으며, 이는 다른 설계를 미리 폭발시켜 높은 수율을 달성하지 못하고 자체적으로 파괴될 수 있다.


이러한 장점들 덕분에 현대 핵무기의 대부분은 핵융합 증폭 기술을 사용한다.

5. 현대 핵무기에서의 이용

대부분의 현대 핵무기는 핵융합 증폭 기술을 사용하며, 특히 2단계 열핵무기의 1단계(핵분열 단계)에서 주로 사용된다.[18] 이 기술은 핵무기의 소형화, 고효율화, 안정성을 향상시켜 전략적 가치를 높인다.

핵융합 증폭은 트리튬과 듀테륨 가스를 핵분열 연료 구체의 중심에 있는 빈 공간이나 외부 층과 "공중에 떠 있는" 내부 코어 사이의 틈에 주입하여 이루어진다. 핵분열 연료의 약 1%가 핵분열될 때 온도가 충분히 높아져 열핵 융합을 유발하고, 여기서 생성된 많은 수의 고에너지 중성자가 연쇄 반응을 가속화한다. 이를 통해 핵분열성 물질의 핵분열 효율을 높인다.

중수소-트리튬 융합 중성자는 매우 강력하며, 평균 핵분열 중성자보다 7배 더 강력하다.[4] 이러한 고에너지 중성자는 핵분열성 핵과 상호 작용할 가능성이 높아 핵분열 반응을 더욱 촉진시킨다.

융합 증폭 핵분열 폭탄은 인근 핵폭발로 인한 중성자 방사선에 면역이 있어, 다른 설계가 미리 폭발하여 높은 수율을 달성하지 못하고 자체적으로 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 수율 대비 무게 감소와 방사선 면역의 조합으로 인해 대부분의 현대 핵무기가 융합 증폭을 사용하게 되었다.

한 무기 설계자에 따르면, 증폭 기술은 1945년 이후 핵분열 무기의 효율이 현저하게 100배 증가하는 데 주로 기여했다고 한다.[7]

6. 초기 핵융합 무기 설계

초기 열핵무기 설계는 핵융합 반응으로 발생한 고속 중성자를 이용하여 열화 우라늄의 핵분열을 일으키는 단일 단계 핵무기 형태였다. 소련의 "조-4"(Слойкаru)가 대표적인 예시이다. 이러한 무기는 핵분열성 코어를 리튬-6 듀테라이드 층으로 둘러싸고, 다시 그 바깥을 열화 우라늄 층으로 감싸는 구조였다. 일부 설계는 여러 층을 번갈아 배치하기도 했다.

이 폭탄이 폭발하면 고농축 우라늄 또는 플루토늄 코어의 핵분열로 중성자가 생성된다. 이 중 일부는 리튬-6 원자와 충돌하여 삼중수소를 생성한다. 코어의 핵분열로 발생한 온도에서 삼중수소와 중수소는 높은 압력 없이도 열핵융합을 일으킬 수 있다. 이 핵융합 반응은 14MeV의 에너지를 가진 중성자를 생성하는데, 이는 반응을 시작한 1MeV의 중성자보다 훨씬 높은 에너지이다.

이러한 고에너지 중성자는 우라늄-238 원자와 충돌하여 핵분열을 일으킨다. 핵융합 단계가 없다면, 원래 1MeV 중성자는 우라늄-238 원자에 흡수될 뿐이다. 핵분열은 에너지를 방출하고 중성자를 방출하며, 이는 다시 리튬-6에서 더 많은 삼중수소를 생성하는 순환 과정을 반복한다.

이러한 종류의 열핵무기는 핵융합으로 최대 20%의 위력을 생산할 수 있었고, 나머지는 핵분열에서 발생했다. 조-4는 의 위력을 냈다.

7. 유지 보수

트리튬은 반감기가 12.355년인 방사성 동위원소이다. 삼중수소의 주요 붕괴 생성물은 헬륨-3인데, 헬륨-3은 중성자 포획 단면적이 가장 큰 핵종 중 하나이다. 따라서 핵무기는 정기적으로 헬륨 폐기물을 제거하고 삼중수소 공급을 재충전해야 한다. 이는 핵무기 내의 헬륨-3이 핵무기 폭발 시 독으로 작용하여 핵분열 연료의 핵과 충돌해야 할 중성자를 흡수하기 때문이다.[8]

참조

[1] 웹사이트 Facts about Nuclear Weapons: Boosted Fission Weapons http://www.isanw.org[...] 2008-07-08
[2] Q인용
[3] 웹사이트 Memorandum on the History Of Thermonuclear Program https://fas.org/nuke[...] Federation of American Scientists 2010-05-19
[4] 웹사이트 Nuclear Weapon Archive: 4.3 Fission-Fusion Hybrid Weapons http://nuclearweapon[...]
[5] 웹사이트 Nuclear Weapon Archive: 12.0 Useful Tables http://nuclearweapon[...]
[6] 웹사이트 Nuclear Weapon Archive: 4.3 Fission-Fusion Hybrid Weapons http://nuclearweapon[...]
[7] 서적 The Governance of Large Technical Systems https://books.google[...] Taylor & Francis 2002
[8] 웹사이트 Section 6.3.1.2 Nuclear Materials Tritium http://nuclearweapon[...] Carey Sublette 2016-06-07
[9] 웹사이트 Section 6.3.1.2 Nuclear Materials Tritium http://nuclearweapon[...] Carey Sublette 2016-06-07
[10] 웹사이트 Section 4.3.1 Fusion Boosted Fission Weapons http://nuclearweapon[...] Carey Sublette 2016-06-07
[11] 웹사이트 Facts about Nuclear Weapons: Boosted Fission Weapons http://www.isanw.org[...]
[12] 웹사이트 原子炉級プルトニウムと兵器級プルトニウム調査報告書 http://www.cnfc.or.j[...]
[13] 뉴스 「水爆」は強化型原爆か　北朝鮮核実験 規模小さく、東京新聞、2016年1月7日 http://www.tokyo-np.[...] 東京新聞 2016-01-07
[14] URL http://www.fas.org/n[...]
[15] 간행물 J.Carson Mark, Reactor-Grade Plutonium's Explosive Properties, 1990 http://www.nci.org/N[...] NUCLEAR CONTROL INSTITUTE
[16] 웹사이트 原子核物理の基礎（4）核分裂反応 (03-06-03-04) https://atomica.jaea[...]
[17] 웹사이트 Nuclear Weapon Archive: 12.0 Useful Tables http://nuclearweapon[...]
[18] 웹사이트 Nuclear Weapon Archive: 4.3 Fission-Fusion Hybrid Weapons http://nuclearweapon[...]
[19] 서적 The Governance of Large Technical Systems https://books.google[...]


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