포신형 핵분열 무기

3. 구조

"포신형" 방식은 히로시마에 투하된 리틀 보이의 작동 방식과 유사하며, 우라늄-235를 핵분열 물질로 사용했다. 리틀 보이 설계에서 U-235 "탄환"은 약 약 39.01kg의 질량을 가졌고, 길이는 였으며, 직경은 였다. 이 탄환은 속이 빈 원통형 모양으로, 임계 미만 상태를 유지했다. 탄환은 코다이트 장약에 의해 구동되었으며, 약 약 25.99kg의 우라늄 표적 스파이크에 충돌했다. 탄환과 표적은 모두 여러 개의 링으로 구성되었다.

"링"을 사용하는 것은 두 가지 장점이 있었다. 첫째, 더 큰 탄환이 확실하게 임계 미만 상태를 유지할 수 있도록 했다(속이 빈 기둥은 물질이 다른 물질과 너무 많이 접촉하는 것을 방지). 둘째, 동일한 탄환을 사용하지만 링 하나만 사용하여 임계 미만 조립체를 테스트할 수 있었다.

포신의 내경은 였고, 길이는 였다. 이를 통해 탄환은 표적과 접촉하기 전에 최종 속도 약 까지 가속될 수 있었다.^[6] 탄환이 거리에 있을 때 조합이 임계 상태가 되었다. 이는 일부 자유 중성자가 물질이 완전히 결합되기 전에 핵 연쇄 반응을 일으킬 수 있음을 의미한다.

일반적으로 연쇄 반응은 1 μs(100 셰이크) 미만으로 일어나며, 이 시간 동안 탄환은 인치(0.3mm)만 이동한다. 초임계도가 낮을 때는 연쇄 반응이 느리지만, 여전히 짧은 시간 안에 일어나기 때문에 탄환은 그 시간 동안 거의 움직이지 않는다.

리틀 보이의 경우, 우라늄에 포함된 20%의 ²³⁸U는 초당 70번의 자연 핵분열을 일으켰다. 핵분열성 물질이 초임계 상태에 있을 때, 각 핵분열은 폭발 가능성이 컸다.

초기 맨해튼 계획의 포신형 노력은 플루토늄을 핵분열성 물질로 사용하는 포신형 무기를 만드는 데 집중되었으며, 극도로 긴 길이 때문에 "Thin Man"으로 알려졌다. 그러나 1944년 4월, 원자로에서 생산된 플루토늄(Pu-239)이 Pu-240으로 오염되어 예비 폭발이 불가피하다는 사실이 밝혀졌다. 이러한 이유로, 포신형 폭탄은 농축 우라늄 연료로만 사용할 수 있다고 생각된다.

"Thin Man" 프로그램이 성공하지 못할 것이라는 사실이 밝혀진 후, 로스앨러모스는 내폭형 플루토늄 무기인 "Fat Man"을 만드는 데 노력을 집중했다. 포신형 프로그램은 완전히 우라늄 폭탄 개발로 전환되었다. 리틀 보이에는 의 80% 등급 ²³⁵U가 사용되었다. 리틀 보이의 표적 임계 미만 질량은 탄화 텅스텐(WC)으로 만들어진 중성자 반사체로 둘러싸여 있었다.

4. 장점과 단점

포신형 핵분열 무기는 내폭형에 비해 구조가 간단하여 제조하기 쉽다는 장점이 있지만, 효율성과 안전성 면에서 여러 단점을 가지고 있다.

• '''장점:''' 핵 포병 포탄의 경우, 간단한 설계 덕분에 포병의 빠른 가속과 중력을 견디도록 설계하기 쉽고, 직경이 작아 기존 포병에서 발사할 수 있는 포탄에 비교적 쉽게 장착할 수 있다.

• '''단점:''' 효율성이 낮고, 임계 질량 이상의 핵물질을 사용하므로 사고나 오작동 시 핵폭발 위험이 있다. 폭탄 추락, 해수 침수 등 감속 효과로 인해 임계 사고가 발생할 수 있다. 또한 크고 무거워 운반 및 운용에 제약이 따른다. 리틀 보이는 길이가 약 179.83cm에 달했다.

4. 1. 장점

4. 2. 단점

• 낮은 효율: 핵분열 물질(주로 우라늄-235)의 상당 부분이 연쇄 반응에 참여하지 못하고 흩어지기 때문에 효율이 낮다. 리틀 보이의 경우, 우라늄-235 "탄환"의 질량은 약 약 39.01kg이고, 우라늄 표적 스파이크는 약 약 25.99kg이었지만, 실제 핵분열에 참여하는 양은 훨씬 적었다.^[6]
• 많은 핵분열 물질 필요: 낮은 효율성 때문에 임계 질량을 확보하기 위해 더 많은 핵분열 물질이 필요하다. 이는 핵무기 제조 비용을 증가시키고, 핵물질 확보의 어려움을 가중시킨다.
• 안전 문제: 포신형 핵무기는 임계 질량 이상의 핵물질을 사용하므로, 사고나 오작동으로 인해 핵물질이 결합되면 핵폭발이 일어날 수 있다. 예를 들어, 폭탄이 추락하거나, 해수에 침수될 경우 감속 효과로 인해 임계 사고가 발생할 수 있다.
• 크기 및 무게: 포신형 핵무기는 내폭형 핵무기에 비해 크고 무거워 운반 및 운용에 제약이 있다. 리틀 보이의 경우, 길이가 약 179.83cm에 달했다.^[6]

5. 핵 확산 및 테러 위험

핵 확산 및 핵 테러와 관련하여, 포신형 핵무기는 비교적 단순한 설계로 인해 다른 방식만큼 정밀한 공학 기술이나 제조 과정이 필요하지 않아 우려를 낳고 있다. 충분한 고농축 우라늄만 있다면, 기술력이 낮은 국가나 단체도 비효율적이지만 강력한 포신형 핵무기를 만들 수 있다.^[8]

6. 역사

맨해튼 계획 초기에는 플루토늄을 사용한 포신형 핵무기 개발이 진행되었으며, 이 무기는 긴 길이 때문에 "Thin Man"으로 불렸다. 플루토늄 포신형 폭탄 개발이 성공하면, 우라늄 포신형 폭탄은 더 쉽게 만들 수 있을 것으로 예상되었다. 그러나 1944년 4월, 원자로에서 생산된 플루토늄(Pu-239)에 Pu-240 불순물이 섞여 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 불순물은 자발적 중성자 방출 속도를 높여, 조기 폭발을 일으킬 수 있었다.^[6] 이러한 이유로 포신형 폭탄은 농축 우라늄 연료로만 사용해야 한다고 결론 내려졌다.

"Thin Man" 프로그램이 실패로 돌아가자, 로스앨러모스 연구소는 내폭형 플루토늄 무기인 "Fat Man" 개발에 집중했다. 포신형 프로그램은 우라늄 폭탄 개발로 완전히 전환되었다.

히로시마에 투하된 리틀 보이는 우라늄-235를 사용한 포신형 핵무기였다. 리틀 보이 설계에서 U-235 "탄환"은 약 약 39.01kg이었고, 길이는 약 17.78cm, 직경은 약 15.88cm였다. 속이 빈 원통형 모양은 임계 미만 상태를 유지하는 데 도움이 되었다. 탄환은 코다이트 장약에 의해 발사되었고, 우라늄 표적 스파이크는 약 약 25.99kg이었다. 탄환과 표적은 모두 여러 개의 링으로 구성되었다. 링을 사용하면 더 큰 탄환이 임계 미만 상태를 유지하고, 링 하나만 사용하여 임계 미만 조립체를 테스트할 수 있었다.

포신의 내경은 약 16.51cm였고, 길이는 약 179.83cm였다. 탄환은 표적과 접촉하기 전에 최종 속도 약 1000ft/s까지 가속되었다.^[6] 탄환이 약 24.89cm 거리에 있을 때 조합이 임계 상태가 되었다. 이는 일부 자유 중성자가 물질이 완전히 결합되기 전에 핵 연쇄 반응을 일으킬 수 있음을 의미한다.

제2차 세계 대전 이후, 기술적으로 진보된 국가들은 효율성과 안전성 문제로 인해 포신형 핵무기를 대부분 폐기하고 내폭형 핵무기로 대체했다. 그러나 미국은 핵 포병 포탄(W9, W19, W33 등)에 포신형 설계를 사용하기도 했으나, 현재는 모두 퇴역하였다. 영국, 소련 등 다른 핵 보유국들은 포신형 핵무기를 개발하지 않았다.

남아프리카 공화국은 아파르트헤이트 시절 포신형 핵무기를 개발 및 보유했었으나, 이후 핵무기 프로그램을 폐기하고 비핵화를 선언하였다.

7. 같이 보기

• 핵무기
• 핵분열
• 임계 질량
• 리틀 보이
• 내폭형 핵무기
• 맨해튼 계획

참조

_[1] 논문 Rudolf Peierls's "Outline of the Development of the British Tube Alloy Project": A 1945 Account of the Earliest UK Work on Atomic Energy 2021-12-03
_[2] 웹사이트 Manhattan Project: The Maud Report, 1941 https://www.osti.gov[...] 2023-07-20
_[3] 웹사이트 The MAUD Report, 1941 {{!}} Historical Documents https://www.atomicar[...] 2023-07-20
_[4] 웹사이트 The MAUD Report, 1941 {{!}} Historical Documents https://www.atomicar[...] 2023-07-20
_[5] 웹사이트 The First Nuclear Weapons: Little Boy http://nuclearweapon[...] 2015-12-30
_[6] Citation Nuclear Weapons Frequently Asked Questions http://nuclearweapon[...]
_[7] 웹사이트 Operation Nougat https://nuclearweapo[...] Carey Sublette 2005
_[8] 뉴스 이성주의 북핵 리포트 - 농축우라늄(HEU)이 뭐길래 http://imnews.imbc.c[...] 2007-02-21
_[9] 간행물 The atomic bombing of hiroshima http://www.cfo.doe.g[...] U.S. Department of Energy 2000