텔러-울람 설계

3. 텔러-울람 설계의 원리

텔러-울람 설계의 기본 원리는 핵무기의 각기 다른 부분, 즉 단계(Stage)들이 이전 단계 폭발에서 발생한 에너지를 이용하여 다음 단계를 순차적으로 기폭시키는 '''다단계(Multi-stage)''' 핵폭발 개념에 기반한다.^[44][45] 가장 기본적인 구성은 핵분열 폭탄으로 이루어진 1단계(프라이머리, Primary)와 핵융합 연료로 구성된 2단계(세컨더리, Secondary)로 나뉜다. 필요에 따라 3단계(터셔리, Tertiary) 이상의 핵융합 단계를 추가할 수도 있다.

핵심 아이디어는 1단계와 2단계를 물리적으로 분리하고, 1단계 핵분열 폭탄이 폭발할 때 발생하는 막대한 양의 X선 에너지를 이용하여 2단계의 핵융합 연료를 외부에서 강력하게 압축(폭축, Implosion)하고 점화시키는 것이다. 이 과정을 '''방사선 내파(Radiation Implosion)'''라고 부른다. 이는 에드워드 텔러와 스타니슬라프 울람이 1951년에 제안한 획기적인 개념으로, 이전의 설계 방식으로는 달성하기 어려웠던 고위력 수소폭탄 개발을 가능하게 했다.^[1][2] 이 설계는 1951년 3월 9일 텔러와 울람이 발표한 기밀 과학 논문 ''이종 촉매 폭발 I. 수력학적 렌즈와 방사선 거울''에서 처음 제안되었다.^[1][2]

작동 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

# '''1단계 폭발:''' 먼저 1단계 핵분열 폭탄(프라이머리)이 기폭된다.

# '''X선 방출 및 전달:''' 1단계 폭발 시 발생하는 고온은 엄청난 양의 X선을 방출한다. 이 X선은 폭탄 케이싱 내부의 특수한 경로(방사선 채널)를 통해 2단계로 전달된다.

# '''2단계 압축 (방사선 내파):''' 전달된 X선 에너지는 2단계 외부를 감싸는 물질(푸셔/탬퍼) 표면을 증발(어블레이션)시킨다. 이 증발의 강력한 반작용으로 2단계 내부의 핵융합 연료와 중심부의 '스파크 플러그'(소형 핵분열 장치)가 안쪽으로 엄청나게 압축된다.^[49]

# '''2단계 점화 및 핵융합:''' 강력하게 압축된 2단계 중심부의 스파크 플러그는 핵분열을 일으키고, 여기서 발생한 열과 중성자는 고도로 압축된 핵융합 연료(중수소화 리튬 등)를 점화시켜 핵융합 반응을 일으킨다.

# '''(선택적) 탬퍼 핵분열:''' 핵융합 반응에서 방출된 고에너지 중성자는 2단계를 감싸는 우라늄-238 탬퍼를 타격하여 추가적인 핵분열을 일으킬 수 있다.^[9]

이처럼 텔러-울람 설계는 1단계 핵분열의 에너지를 X선 형태로 변환하여 2단계 핵융합 연료를 효율적으로 압축하고 점화시키는 정교한 다단계 과정을 통해 이전의 단순 핵분열 폭탄보다 훨씬 강력한 폭발력을 얻을 수 있게 한다. 이 설계 원리는 현대 수소폭탄의 기본적인 구조를 이룬다. 이 설계의 성공은 1952년 11월 1일 아이비 마이크 실험에서 입증되었으며, 이는 10.4 메가톤 TNT의 위력을 기록했다. 이후 중수소화 리튬을 사용한 건식 연료 방식이 개발되어 캐슬 브라보 실험(1954년, 15 메가톤 TNT)에서 성공적으로 시연되었고, 이는 실용적인 수소폭탄 개발로 이어졌다.

3. 1. 1차 폭탄 (핵분열 폭탄)

3. 2. 2차 폭탄 (핵융합 연료)

• 방사 압력 (Radiation Pressure): 1차 폭탄에서 방출된 강력한 X선 자체가 가지는 압력으로 2차 폭탄을 압축한다는 이론이다. 초기 실용안으로 여겨졌으나, 계산된 압력이 다른 메커니즘에 비해 상대적으로 낮다.
• 플라즈마 압력 (Plasma Pressure): X선이 방사선 채널 내의 폴리스티렌 폼과 같은 물질을 고온의 플라즈마 상태로 만들고, 이 플라즈마의 팽창 압력으로 2차 폭탄을 압축한다는 이론이다. --
• 증발 압력 (Ablation Pressure): X선이 2차 폭탄의 푸셔/탬퍼 표면을 직접 가열하여 증발시키고, 그 증발 가스가 바깥으로 분출되는 반작용(로켓과 같은 원리)으로 내부를 압축한다는 이론이다. 현재 가장 유력한 메커니즘으로 받아들여지며, 계산 결과 다른 이론들보다 훨씬 강력한 압력을 생성할 수 있는 것으로 나타났다.^[49]

계산 결과 증발 압력이 다른 방식에 비해 월등히 높은 압력을 발생시킬 수 있음을 보여준다. 실제 무기에서는 이러한 메커니즘들이 복합적으로 작용할 수도 있다.^[50]
설계의 발전과 변형초기 수소폭탄은 아이비 마이크처럼 거대하고 무거웠으나, 중수소화 리튬과 같은 건식 연료의 사용과 설계 최적화를 통해 점차 소형화, 경량화되었다. 특히 대륙간 탄도 미사일(ICBM)이나 잠수함 발사 탄도 미사일(SLBM)에 탑재하기 위한 MIRV 기술이 발전하면서 핵탄두의 소형화는 더욱 중요해졌다.

1990년대에 보도된 W88 핵탄두의 경우, 기존의 구형 1차 폭탄 대신 회전 타원체(달걀 모양)의 1차 폭탄과 구형의 2차 폭탄을 특수한 모양의 케이싱 안에 배치하여 크기를 획기적으로 줄인 것으로 알려졌다. 이 보도와 관련된 중국의 스파이 사건은 W88 핵탄두의 세부 사항이 유출되었을 가능성을 시사했다.^[65][66][67] 이러한 비구형 설계는 계산이 매우 복잡하지만, 제한된 공간 안에 더 높은 위력의 핵탄두를 탑재할 수 있게 해준다.^[68][69] W88 핵탄두는 최대 지름 55cm, 높이 175cm 크기에 질량은 약 360kg 이하이면서, 핵출력은 최대 475 킬로톤에 달하는 것으로 알려져 있다.^[68]

3. 3. 방사선 내폭

계산 결과, 증발 압력은 플라즈마 압력보다 10배 이상, 방사 압력보다는 100배 가까이 더 강력한 압력을 생성할 수 있음을 보여준다. X선 에너지가 탬퍼/푸셔에 흡수되는 것은 피할 수 없는 현상이므로, 이 강력한 증발 압력 효과가 2단계 압축의 주된 동력으로 작용할 가능성이 매우 높다.

==== 복합적 메커니즘 가능성 ====

실제 핵무기 설계에서는 위의 메커니즘들이 복합적으로 작용할 수도 있다. 예를 들어, 발포 플라스틱은 직접적인 플라즈마 압력을 생성하는 역할보다는, X선 에너지가 2단계 전체에 비교적 균일하게 도달하도록 시간을 벌어주거나 에너지 전달을 조절하는 완충재 역할을 할 수 있다.^[50] 리처드 로즈는 그의 저서 "원폭에서 수폭으로"에서 아이비 마이크 실험 당시 과학자 및 기술자들과의 인터뷰를 바탕으로, 폴리스티렌 폼이 사용되었지만 주된 압축은 X선 방사선 자체로 충분했으며 폼은 다른 목적(예: 구조적 지지)으로 사용되었을 가능성을 제시하기도 했다.

결론적으로, 텔러-울람 설계의 '방사선 내폭'은 1단계에서 방출된 X선이 2단계의 탬퍼/푸셔 표면을 증발(어블레이션)시키면서 발생하는 강력한 반작용 압력을 통해 2단계를 압축하는 메커니즘이 핵심적인 역할을 하는 것으로 여겨진다. 다만, 발포 플라스틱과 같은 다른 요소들이 에너지 전달 과정이나 압축의 균일성을 높이는 데 보조적인 역할을 할 가능성도 배제할 수 없다. 정확한 세부 사항은 여전히 ​​군사 기밀로 분류되어 있다.

4. 핵무기 개발 경쟁과 확산

열핵폭탄(수소폭탄)을 더 작은 핵분열 폭탄으로 기폭하는 아이디어는 엔리코 페르미가 제안했으며, 그의 동료 에드워드 텔러에 의해 1941년 맨해튼 계획의 일환으로 연구되기 시작했다. 텔러는 자신에게 할당된 핵분열 폭탄 개발 임무에는 다소 소홀하면서도, 열핵폭탄 설계 방법을 확립하는 데 많은 노력을 기울였다. 회의에서 텔러가 보인 난해하고 이의를 제기하는 태도로 인해, 오펜하이머는 그를 핵분열 폭탄 개발에서 분리시켜 다른 물리학자들이 주요 과제에 집중할 수 있도록 조치했다.

thumb'' 로미오 핵실험]]

텔러의 동료였던 스타니슬라프 울람은 작동 가능한 핵융합 무기 설계를 위한 중요한 개념적 돌파구를 마련했다. 울람은 두 가지 혁신적인 아이디어를 제시했는데, 첫째는 핵융합 연료를 초고온으로 가열하기 전에 먼저 압축하여 핵융합에 필요한 조건을 만드는 것이었고, 둘째는 다단계 반응을 위해 핵융합 물질(세컨더리)을 핵분열 기폭장치(프라이머리) 외부에 배치하고 어떤 방식으로든 세컨더리를 압축하는 것이었다. 이후 텔러는 프라이머리에서 발생하는 감마선과 X선 방사선이, 모든 부품을 "홀라움(Hohlraum)" 또는 방사선 케이스로 감쌀 경우, 세컨더리를 압축하고 점화시키는 데 충분한 에너지를 제공할 수 있다는 점을 깨달았다. 텔러와 그의 지지자들, 그리고 반대론자들은 울람이 제안한 이 기본 작동 원리에 대해 논의를 벌였다.

1951년, 이 설계 원리에 기반한 그린하우스 작전의 '조지(George)' 핵실험이 소규모로 실시되었고, 실험 결과는 설계의 타당성에 대한 기대를 확신으로 바꾸어 놓았다.

1952년 11월 1일, 텔러-울람 설계의 완전한 형태인 아이비 작전의 '마이크(Mike)' 실험이 에니웨토크 환초에서 진행되었다. 이 실험은 10.4 메가톤의 핵출력을 기록했는데, 이는 제2차 세계 대전 당시 나가사키에 투하된 팻 맨 원자폭탄 위력의 450배가 넘는 수준이었다. '소시지(Sausage)'라는 별명으로 불린 이 실험 장치는 기폭을 위해 거대한 핵분열 폭탄을 사용했으며, 액체 상태의 중수소 18톤을 극저온으로 유지해야 했기 때문에 전체 장치의 무게는 70톤에 달했다.

마이크 실험에 사용된 액체 중수소 연료는 실제 무기로 배치하기에는 비실용적이었다. 다음 단계에서는 고체 형태의 중수소화 리튬 핵융합 연료가 대신 사용되었다. 1954년 3월 1일, 이 방식은 캐슬 작전의 '브라보(Bravo)' 실험에서 성공적으로 시연되었으며, 15 메가톤의 핵출력을 기록했다. '에비(Shrimp)'라는 별명의 이 실험 장치는 미국이 실시한 핵실험 중 가장 강력한 위력을 보였다.

미국은 즉시 텔러-울람 설계 기반 무기의 소형화에 착수하여 ICBM과 SLBM에 탑재 가능한 형태로 개발했다. 1960년에는 메가톤급 위력의 핵탄두가 직경 약 0.5m, 무게 320kg까지 소형화되어 W47 핵탄두^[52]로 폴라리스 미사일에 탑재, 잠수함에 배치되었다. 그러나 이후 W47 핵탄두는 테스트 과정에서 신뢰성 문제가 발견되어 설계 변경이 필요했다. 핵탄두 소형화 기술은 1970년대 중반에 이르러 거의 완성 단계에 이르렀고, 텔러-울람 설계는 10개 또는 그 이상의 핵탄두를 하나의 미사일에 탑재하는 MIRV 기술로 발전했다(자세한 내용은 W88 핵탄두 참조).^[43]

4. 1. 소련의 수소폭탄 개발

4. 2. 다른 국가들의 핵 개발

5. 북한의 핵 개발

북한이 실시한 초기 두 차례의 핵실험(2006년과 2009년)은 비교적 위력이 낮았으며, 열핵무기(수소폭탄) 개발 징후는 뚜렷하지 않았다. 그러나 2017년 9월 6차 핵실험을 통해 북한은 열핵무기 기술을 확보했다고 주장하기 시작했다.

5. 1. 북한의 핵 개발 현황

5. 2. 북한의 핵 능력 평가

종합적으로 볼 때, 북한은 핵분열탄 및 핵분열탄의 위력을 증강시킨 증폭 핵분열탄 개발에는 성공한 것으로 평가된다. 2017년 6차 핵실험은 상당한 위력을 보여주었으나, 이것이 완전한 형태의 수소폭탄 실험 성공을 의미하는지, 그리고 이를 다양한 투발 수단에 탑재할 수 있는 소형화·경량화 단계까지 이르렀는지에 대해서는 전문가들 사이에서도 여전히 평가가 엇갈리고 있다.

6. 텔러-울람 설계 관련 공개 정보

텔러-울람 설계의 정확한 개발 과정은 관련된 여러 인물의 상반된 증언과 지속적인 기밀 유지 정책으로 인해 완전히 알려지지 않았다. 초기 수소폭탄 구상인 "수퍼"(Super) 모델은 핵분열 폭탄 주변이나 중심부에 핵융합 연료를 배치하여 핵분열의 열로 점화하려는 방식이었으나, 수년간의 연구에도 불구하고 실질적인 성과를 거두지 못했다.

1951년, 폴란드 출신 수학자 스타니슬라프 울람이 제시한 아이디어를 에드워드 텔러가 발전시켜 메가톤급 수소폭탄을 위한 최초의 실용적인 설계, 즉 '단계적 내폭(staged implosion)' 개념을 완성했다. 이 개념은 1951년 3월 9일 텔러와 울람이 공동으로 발표한 기밀 논문 "이종 촉매 폭발 I: 수력학적 렌즈와 방사선 거울(On Heterocatalytic Detonations I: Hydrodynamic Lenses and Radiation Mirrors^eng)"에서 처음 제안되었다.^[1][2] 이후 이 설계는 '텔러-울람 설계'로 알려졌지만, 울람과 텔러 각각의 정확한 기여도에 대해서는 논란이 계속되고 있다. 텔러는 자신이 주도적인 역할을 했으며 울람의 기여는 미미했다고 주장했으나, 많은 동료 과학자들은 다른 견해를 보였다.

한스 베테는 텔러가 "열핵 반응에 대한 완전히 새로운 접근 방식"을 발견했으며 이는 "영감의 문제"였다고 평가하면서도,^[3][4][5] 다른 한편으로는 울람의 아이디어가 결정적이었다고 보는 시각도 많다. 핵무기 설계자 테드 테일러는 기본적인 단계화와 압축 아이디어는 울람에게, 방사선을 이용한 압축(방사선 내폭)의 중요성을 인식한 것은 텔러에게 공을 돌렸다.^[6] 일부에서는 텔러가 울람의 기여를 의도적으로 축소하려 했다는 비판도 제기되었다.^[7] 텔러는 언론에서 "수소폭탄의 아버지"로 불리는 것을 즐기는 듯 보였으나, 동료들의 비판에 직면하자 1955년 《사이언스》지에 기고한 글에서는 공동 연구의 중요성을 강조하기도 했다(훗날 회고록에서는 이것이 '선의의 거짓말'이었다고 인정했다).^[8] 베테는 이 논쟁에 대해 "울람이 씨앗을 뿌렸고 텔러가 그것을 키웠으니, 울람이 아버지이고 텔러가 어머니라고 하는 것이 더 정확할 것이다. 나는 산파 역할 정도였다"고 비유하기도 했다.

텔러-울람 설계의 핵심은 무기의 핵분열 단계(1단계, 프라이머리)와 핵융합 단계(2단계, 세컨더리)를 분리하고, 1단계에서 발생하는 방사선을 이용해 2단계의 핵융합 연료를 점화하기 전에 강력하게 압축하는 것이다. 일부 설명에 따르면, 울람은 처음에 1단계의 충격파를 이용한 압축을 제안했고, 텔러가 충격파 대신 방사선을 이용하는 것이 더 효과적임을 깨달았다고 한다(방사선 내폭). 하지만 1단계와 2단계를 분리하여 단계적으로 폭발시킨다는 기본적인 아이디어 자체는 울람의 독창적인 기여로 평가받는다. 이 설계의 효율성은 많은 과학자들에게 깊은 인상을 주었고, 이전까지 회의적이었던 이들조차 수소폭탄 개발이 불가피하다고 여기게 만들었다. 로버트 오펜하이머조차 이 아이디어를 "기술적으로 뛰어나다(technically sweet)"고 평가했다. 1951년 그린하우스 작전의 '조지(George)' 실험에서 이 기본 개념이 소규모로 검증되면서 성공 가능성에 대한 확신이 높아졌다.

1952년 11월 1일, 에니웨톡 환초에서 실시된 '아이비 마이크' 실험은 텔러-울람 설계를 적용한 최초의 대규모 폭발 실험이었다. "소시지(Sausage)"라는 별칭으로 불린 이 장치는 10.4 메가톤(TNT 환산)의 위력을 기록했는데, 이는 나가사키에 투하된 폭탄의 450배가 넘는 규모였다. 이 장치는 거대한 핵분열 폭탄을 기폭 장치로 사용했고, 액체 중수소를 핵융합 연료로 사용했기 때문에 이를 극저온 상태로 유지하기 위한 약 18143.70kg의 냉각 장비가 필요했으며, 장치 전체 무게는 약 약 72574.80kg에 달했다.

액체 중수소 방식은 실용적인 무기로 사용하기에는 너무 크고 복잡했기 때문에, 미국은 곧 고체 형태의 중수소화 리튬(Lithium deuteride)을 연료로 사용하는 방식으로 전환했다. 이 방식은 1954년 '캐슬 브라보' 실험에서 처음 시도되었다. '새우(Shrimp)'라는 암호명으로 불린 이 장치는 예상보다 훨씬 강력한 15 메가톤(TNT 환산)의 위력(미국이 실험한 가장 강력한 핵폭탄)을 냈는데, 이는 연료 자체의 효율뿐만 아니라 폭탄 외부를 감싼 ²³⁸U 탬퍼(tamper)가 고속 중성자에 의해 핵분열을 일으켰기 때문이었다.^[9] 이 예상치 못한 추가 핵분열은 엄청난 양의 핵 낙진을 발생시켰고, 바람을 타고 인근 섬 주민들과 일본 어선 다이고 후쿠류 마루 선원들에게 심각한 피해를 입히는 최악의 핵 사고 중 하나를 일으켰다.

초기에는 메가톤급의 강력한 수소폭탄 개발에 집중했지만, 이후 미국의 핵무기 개발은 대륙간 탄도 미사일(ICBM)이나 잠수함 발사 탄도 미사일(SLBM)에 탑재할 수 있도록 무기를 소형화하는 방향으로 전환되었다. 1970년대 중반에는 다중 개별 표적 재진입 비행체(MIRV) 기술에 적용 가능한 소형화된 텔러-울람 설계가 완성되었다.

텔러-울람 설계의 구체적인 내용은 오랫동안 최고 수준의 핵 기밀로 취급되어 왔으며, 오늘날에도 공식적인 정보 공개는 매우 제한적이다. 미국 에너지부(DOE)는 정보 유출이 의심되는 경우에도 이를 확인해주지 않는 정책을 유지하고 있는데, 이는 유출된 정보의 정확성을 인정하는 결과를 피하기 위함이다. 따라서 현재 공개적으로 알려진 텔러-울람 설계에 대한 정보는 대부분 미국 정부의 단편적인 발표, 핵무기 반대 운동가나 연구자들의 분석, 그리고 과거 개발에 참여했던 과학자들의 회고 등을 통해 재구성된 것이다. 특히 1979년 하워드 모어랜드와 관련된 '미국 대 더 프로그레시브' 사건은 설계의 일부 정보가 대중에게 알려지는 계기가 되었으며, 이에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.

6. 1. 기밀 유지와 정보 공개

• 1972년: "열핵(TN) 무기에서 핵분열 '1차'가 '2차'로 지칭되는 열핵 연료의 TN 반응을 유발하는 데 사용된다는 사실"
• 1979년: "열핵 무기에서 핵분열 폭발로 인한 방사선이 격리되어 열핵 연료를 포함하는 물리적으로 분리된 구성 요소를 압축하고 점화하는 데 에너지를 전달하는 데 사용될 수 있다는 사실." 이 발표에는 "이 성명에 대한 자세한 설명은 기밀로 분류될 것"이라는 단서가 붙었다.
• 1991년: 소위 '스파크 플러그'와 관련하여 "어떤 2차 장치에 핵분열성 및/또는 분열성 물질이 존재한다는 사실, 물질은 확인되지 않았고, 위치는 명시되지 않았으며, 용도는 명시되지 않았고, 무기는 지정되지 않았다."^[60]
• 1998년: "채널에 물질이 존재할 수 있다는 사실과 '채널 필러'라는 용어는 자세한 설명 없이" 기밀 해제되었는데, 이는 방사선 채널을 채우는 폴리스티렌 폼 등을 지칭하는 것으로 추정된다.^[60]

6. 2. 프로그레시브 사건

7. 결론

텔러-울람 설계와 같은 실제 핵분열 및 핵융합 병기에 관한 상세 정보는 대부분의 국가에서 기밀로 취급된다. 특히 미국에서는 정부나 관련 기업 외의 인물이 생성한 정보조차 "태생적 기밀 정보"라는 법률 원칙에 따라 기밀로 분류하려 하지만, 이 원칙의 헌법상 효력에 대해서는 의문이 제기되고 있으며 민간 연구나 예측에는 거의 적용되지 않았다.

미국 에너지부는 이러한 정보의 유출 여부에 대해 공식적으로 언급하지 않는 정책을 유지하고 있는데, 이는 정보의 정확성을 암묵적으로 인정하는 상황을 피하기 위함이다. 과거 미국 정부가 언론의 병기 관련 보도를 사전에 검열하려 시도한 사례도 있었으나, 큰 성과를 거두지는 못했다.

결과적으로 공식적이든 비공식적이든 공개된 정보는 상당 부분 모호하며, 일반적으로 알려진 핵무기 관련 설명은 추측, 기지의 정보에 기반한 리버스 엔지니어링, 또는 유사한 물리학 영역과의 비교 등에 의존하는 경우가 많다. 텔러-울람 설계에 관해 공개된 지식 역시, 알려진 몇 가지 특정 사례에 맞춰 정리된 단편적인 정보에 불과하며 여전히 많은 부분이 불확실한 상태로 남아 있다.

참조

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