차르 봄바
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1. 개요
차르 봄바는 소련이 개발한 AN602라는 공식 명칭의 수소폭탄으로, "폭탄의 황제"라는 뜻의 비공식 명칭으로도 불린다. 1961년 10월 30일, 노바야 제믈랴에서 50메가톤급으로 실험되었으며, 이는 인류 역사상 가장 강력한 인공 폭발이었다. 차르 봄바는 냉전 시대에 소련의 핵 억지력을 과시하고 핵무기 개발 경쟁에서 우위를 점하기 위한 목적으로 개발되었으며, 3단계 열핵 설계와 우라늄 탬퍼 대신 납을 사용하여 방사능 낙진을 줄였다. 실험 결과는 엄청난 위력과 파괴력을 보여주었으며, 이후 핵무기 개발에 영향을 미쳤다.
공식 명칭은 "AN602"이며, 개발 당시 암호명은 "이반"(Иван|이반ru)이었다.[15] 차르 봄바는 RN202의 변형이기 때문에 RDS-37, RDS-202, PH202 (제품 202) 등으로 잘못 표기되기도 한다.[13]
냉전 시기였던 1950년대 후반, 미국은 핵무기 수량, 총 폭발 위력, 투하 능력 등 핵무기 전력에서 소련을 압도하고 있었다. 전략 공군 사령부를 통해 유럽과 아시아의 동맹국에 핵무기를 배치했고, 항공모함과 중거리 탄도 미사일에도 배치했다. 반면 소련은 제한적인 폭격기 및 단거리 미사일 전력으로 서유럽과 아시아의 미국 동맹국을 위협할 수 있었고, 1955년에는 다단계 열핵무기를 시험했으며, 1957년에는 대륙간 탄도 미사일 프로토타입 로켓 시험을 시작했다. 그러나 1960년 당시 소련의 핵 전력은 미국 본토를 확실하고 신뢰성 있게 위협할 수 없었으며, 전쟁 발발 시 소련이 동등한 수준으로 보복하기 어려울 것이라는 사실을 소련 지도부는 잘 알고 있었다.[38]
차르 봄바는 3단계 수소폭탄이다.[24] 1단계 핵분열 폭탄이 2단계 열핵폭탄을 압축하고, 그 결과로 발생한 에너지가 다시 더 큰 3단계 열핵폭탄을 압축하는 방식으로 작동한다. 원래 100MtonTNT급으로 설계되었으나, 과도한 방사성 낙진 발생을 우려하여 3단계의 우라늄 탬퍼를 납으로 교체하여 위력을 50MtonTNT으로 줄였다.[31][32]
차르 봄바는 특별히 개조된 Tu-95V 전략 폭격기에 의해 운반되었다.[38] 폭탄의 무게는 27t, 길이는 8m, 지름은 2m였다.[34] 거대한 크기 때문에 Tu-95V는 폭탄창 문과 동체 연료 탱크를 제거해야 했다.[34] 폭탄은 BD7-95-242 (BD-242) 빔 타입 홀더에 의해 폭격기에 장착되었고, 전기 자동 메커니즘을 통해 세 개의 잠금 장치가 동시에 해제되었다.[34] 항공기는 폭발 시 열 손상을 최소화하기 위해 특수 반사 흰색 페인트로 도색되었다.[38]
1961년 10월 30일 오전 11시 33분, 소비에트 연방은 노바야제믈랴 제도에서 차르 봄바 핵실험을 실시했다. 이 실험은 소련 공산당 총회 기간 중에 이루어졌다.[37] TNT 50 Mt(메가톤)의 파괴력을 가진 이 폭탄은 냉전 시기 미국에 대한 시위 목적으로 개발되었다.
2. 명칭
비공식적으로 "차르 봄바"(Царь-бомба|차리 봄바ru)와 "쿠즈카의 엄마"(Кузькина мать|쿠지키나 마티ru)로 알려져 있다. "차르 봄바"(대략 "폭탄의 황제"로 번역)라는 이름은 과시용으로 제작되었으나 거대한 크기로 인해 실용적이지 못했던 차르 대포와 차르 종을 빗대어 지어졌다. "차르 봄바"라는 이름은 1990년대 이전에 무기에 사용된 것으로 보이지 않는다. "쿠즈카의 엄마"라는 이름은 흐루쇼프가 미국 부통령 리처드 닉슨에게 "우리는 당신에게 심각한 결과를 초래할 수 있는 자금이 있습니다. 우리는 당신에게 쿠즈카의 엄마를 보여줄 것입니다!"라고 말한 데서 유래되었다.[16][17]
중앙정보국(CIA)은 이 실험을 1949년 RDS-1으로 시작된 "JOE" 계열을 사용하여 "JOE 111"로 지정했다.[18] 다른 국가 문헌에서 "정식 명칭"으로 사용되는 "RDS-220", "RN220"은 키릴 문자로 된 정식 명칭 РДС-220|RDS-220ru, РН220|RN220ru을 로마자로 표기한 것이다.[69] RDS-202 또는 RN202로 오인하는 문헌도 있다.
"차르 봄바"는 서방 국가에서 붙인 비공식 명칭으로, 크렘린에 전시된 세계 최대의 종인 차르 콜로콜, 포병 사상 최대 구경인 차르 푸슈카에 빗댄 것이다. 현재는 러시아에서도 널리 사용된다.
3. 개발 배경
이러한 전략적 불리함 속에서 게오르기 말렌코프와 니키타 흐루쇼프 시대의 외교 정책 및 선전은 미국이 감행한 것으로 여겨지는 핵 협박에 대한 대응을 국내외적으로 필요하게 만들었다. 차르 봄바 개발은 핵 억지력 개념을 유지하고, 국내외 여론에 소련 핵무기 프로그램의 강력함을 과시하고 공포심을 심어주기 위한 광범위한 노력의 일환이었다.[14] 비록 무기 자체가 실용적이지 않다는 논란이 있었지만, 이러한 노력의 일환이었다.[14]
흐루쇼프는 1961년 7월 10일, 제22차 소련 공산당 대회가 열리는 10월 하순에 이 폭발 실험을 실시하도록 지시했다. 당시 세계 정세는 1961년 8월 베를린 장벽 건설 시작, 소련의 핵실험 모라토리엄 중단, 쿠바 미사일 위기로 이어지는 쿠바에 대한 핵 배치 계획 실시 등으로 인해 매우 긴박했다. 이러한 상황에서의 실험은 전 세계를 충격에 빠뜨렸다.
4. 설계
AN602는 기존의 RDS-202 설계를 기반으로 하였다.[38] RDS-202는 열핵 모듈 양쪽에 두 개의 핵분열 모듈을 배치하는 바이파이러 방식을 사용했는데,[29][30] AN602 역시 이 방식을 계승하여, 구형의 거대한 열핵 모듈 양쪽에 두 개의 소형 열핵 모듈을 배치하고, 이를 기폭하기 위해 총 1.5MtonTNT 출력의 핵분열 모듈 두 개를 배치했다. 이 모듈들을 정밀하게 제어하기 위해 100나노초 이내의 동기 폭발을 가능하게 하는 유닛이 개발되었다.[33]
소련의 핵 개발 비밀 도시알자마스16에서 소련 과학 아카데미의 유리 하리톤을 중심으로, 안드레이 사하로프, 빅토르 아담스키, 유리 바바예프, 유리 스미르노프, 유리 투르트네프 등이 설계에 참여했다.
4. 1. 개발 과정
RDS-37의 성공적인 실험 이후, 1956년 2월 2일, KB-11 직원(사하로프, 젤도비치, 도비덴코)은 예비 계산을 수행하여 150MtonTNT의 장약에 대한 매개변수와 1GtonTNT까지 위력을 증가시킬 가능성에 대한 메모를 전달했다.[20][38]
차르 봄바 개발은 1956년에 시작되어[19] 두 단계로 진행되었다. 1955년 두 번째 핵 센터인 NII-1011이 설립된 후, 1956년 각료회의 결의에 따라 이 센터는 "프로젝트 202"라고 불리는 초고출력 장약 개발 임무를 할당받았다.[38]
1960년, KB-11은 설계 용량 100MtonTNT의 열핵 장치 개발을 시작했다. 1961년 2월, KB-11 지도부는 "핵무기 개발 및 사용 방법의 몇 가지 문제"라는 제목으로 소련 공산당 중앙위원회에 서한을 보냈는데, 이 서한에서는 100Mt 장치의 개발 타당성에 대한 질문을 제기했다. 1961년7월 10일, 소련 공산당 중앙위원회에서 논의가 있었고, 제1서기 니키타 흐루쇼프는 이 초대형 폭탄의 개발과 시험을 지지했다.[38] 흐루쇼프는 1961년 7월 10일, 제22차 소련 공산당 대회가 열리는 10월 하순에 이 폭발 실험을 실시하도록 지시했다.
차르 봄바 작업 속도를 높이기 위해, 202 프로젝트를 기반으로 했지만, 다른 그룹에서 개발한 새로운 프로젝트였다. KB-11의 경우, NII-1011에서 이미 제조된 202 프로젝트 폭탄의 6개의 케이스와 202 프로젝트 시험을 위해 개발된 장비 세트가 사용되었다.[38]
차르 봄바는 "3단계" 설계를 가지고 있었다. 첫 번째 단계는 필요한 핵분열 트리거이다. 두 번째 단계는 1.5MtonTNT의 폭발 기여도를 계산한 두 개의 비교적 작은 열핵 전하로, 세 번째 단계의 방사선 임플로전을 위해 사용되었으며, 세 번째 단계는 그 사이에 위치한 주요 열핵 모듈이며, 여기서 열핵 반응을 시작하여 50 Mt의 폭발 에너지를 기여했다. 열핵 반응의 결과로, 주요 열핵 모듈에서 엄청난 수의 고에너지 고속 중성자가 형성되었으며, 이는 다시 주변 우라늄-238의 핵에서 빠른 핵분열 핵반응을 시작하여 폭발에 50 Mt의 에너지를 추가하여 차르 봄바의 예상 에너지 방출량이 약 100 Mt이 되도록 했다.[31]
그러나 100 Mt급 폭발이 일어나면 소련 영내의 인구 밀집 지역에 다량의 방사성 낙진이 떨어질 것으로 예상되었기 때문에, 실험에 있어서는 제3단계의 우라늄 238의 핵분열을 억제하도록 템퍼가 납으로 변경되었고, 출력은 50 Mt로 억제되었다. 소련 최고 지도자 니키타 흐루쇼프는 "처음에는 100메가톤으로 예정했지만, 모스크바의 유리가 전부 깨지지 않도록 출력을 줄였다"고 농담을 했다[70]。변경 결과, 핵 출력의 97%가 핵융합에 의한 것이 되었고, 방출되는 방사성 물질의 양은 그 출력에 비해 상당히 소규모가 되었다.
이러한 완전한 3단계 100 Mt 폭탄의 시험은 대량의 우라늄-238의 핵분열 반응으로 인해 발생할 극도로 높은 수준의 방사능 오염으로 인해 거부되었다.[32] 시험 중에 폭탄은 2단계 버전으로 사용되었다. A. D. 사하로프는 2차 폭탄 모듈에서 우라늄-238 대신 핵 수동 물질을 사용하여 폭탄의 에너지를 50 Mt로 줄였고, 방사성 핵분열 생성물의 양을 줄이는 것 외에도, 화구의 지구 표면 접촉을 피하여 토양의 방사능 오염과 대기 중으로의 대량 낙진 분산을 제거했다.[38]
차르 봄바 설계에는 많은 기술 혁신이 적용되었다. 열핵 전하는 "바이필라" 방식에 따라 제작되었다 - 주요 열핵 단계의 방사선 임플로전은 두 개의 반대쪽에서 수행되었다. 이러한 2차 전하는 주요 열핵 전하의 X선 압축을 생성했다. 이를 위해 2단계는 폭탄의 앞면과 뒷면에 배치된 두 개의 융합 전하로 분리되었으며, 이는 최대 100나노초의 점화 시간 차이로 동기식 폭발이 필요했다. 필요한 정확도로 전하의 동기식 폭발을 보장하기 위해, 폭발 전자 장치의 시퀀싱 장치는 KB-25 (현재 "연방 국영 단일 기업"NL Dukhov 전 러시아 자동화 과학 연구소")(VNIIA)에서 수정되었다.[33]
차르 봄바(AN602)는 소련 최초의 수소 폭탄인 RDS-37의 성공 이후 개발된 RDS-202를 기반으로 개발되었다. RDS-202는 1956년 3월 12일에 최대 계산 출력 50Mt, 직경 2.1m, 길이 8m, 무게 26톤으로 설계되었으며, 같은 해 6월 6일에는 38Mt으로 변경되었고, 최종적으로는 같은 해 안에 15Mt으로 제조되어 1957년에 실험이 계획되었지만 실제로 이루어지지 않고 보관되었다. 이를 분해하여 AN602에 유용하기로 결정된 것은 1958년 7월의 일이었다. RDS-202는 열핵 모듈의 양쪽에 두 개의 핵분열 모듈을 배치하는 설계(바이파이러 방식)로 되어 있었으며, 이는 AN602에도 계승되었다.
AN602는, 구형의 거대한 열핵 모듈의 양쪽에, 두 개의 소형 열핵 모듈이 배치되고, 거기에 더하여 그것들을 기폭하는 총 1.5MtonTNT의 출력을 가진 두 개의 핵분열 모듈이 배치되었다. 그것들을 정밀하게 제어하기 위해 100나노초 이내의 동기 폭발을 가능하게 하는 유닛이 개발되었다.
설계는 소련의 핵 개발 비밀 도시알자마스16에서 소련 과학 아카데미의 유리 하리톤을 중심으로, 후에 '소련 수소 폭탄의 아버지'라고 불리는 안드레이 사하로프, 빅토르 아담스키, 유리 바바예프, 유리 스미르노프, 유리 투르트네프 등의 멤버가 참가했다. 사하로프는 차르 봄바의 폭발 실험 후 핵무기 반대를 주장하게 되었다고 한다.
5. 투발 수단
조종사는 안드레이 두르노프체프 중령(안드레이 예고로비치 두르노프체프ru)이었다. 측정 및 촬영을 위해 Tu-16V가 동행했다.[71][72]
6. 실험
니키타 흐루쇼프 소련 총리의 지시로 1961년 7월 10일부터 개발이 시작되었으며, 기존 부품을 활용하여 14주 만에 설계 및 제작되었다. 폭탄의 무게는 27t, 길이는 8m, 지름은 2.1m였다. 이 거대한 폭탄을 운반하기 위해 투폴레프 Tu-95 폭격기의 폭탄 수납 격실 문을 제거해야 했다.
콜라반도의 비행장을 이륙한 개조된 투폴레프 Tu-95 폭격기는 고도 10500m에서 폭탄을 투하했다. 안전을 위해 무게 800kg, 넓이 1600m2의 낙하산이 사용되었다. 폭탄은 기압 센서를 이용해 지면으로부터 4000m 높이에서 폭발하도록 설계되었다.
폭발로 인한 화구는 지상에 닿을 정도로 컸고, 성층권까지 도달했다. 폭발은 달에서도 관측되었으며, 버섯 구름은 높이 60km, 폭은 30~40km까지 자라났다. 100km 밖에서도 3도 화상을 입을 정도의 열이 발생했으며, 후폭풍은 핀란드의 유리창을 깰 정도였다. 폭탄에 의한 지진파는 지구를 세 바퀴나 돌았다.
미국은 처음 폭발력을 57Mt으로 계산했지만, 1991년 소련 붕괴 이후 공개된 자료에서는 50Mt으로 확인되었다. 차르 봄바는 히로시마와 나가사키에 투하된 원자폭탄 위력의 3,333배 이상이었다.[82]
6. 1. 실험 결과
7. 국제 사회의 반응
시험 직후, 여러 미국 정치인들이 소련을 비난했다. 타게 에를란데르 스웨덴 총리는 이 실험을 자신이 실험 일주일 전에 소련 지도자에게 보낸 핵실험 중단을 촉구하는 개인적 호소에 대한 소련의 답변으로 간주했다.[55] 영국 외무부, 에이나르 게르하르센 노르웨이 총리, 비고 캄프만 덴마크 총리 등도 이 실험을 규탄하는 성명을 발표했다.[56] 소련 및 중국중앙방송은 차르 봄바 실험에 대해서는 언급하지 않고, 그 전날 훨씬 작은 폭탄(아마도 '밍크' 시험)에 대한 미국의 지하 핵실험을 언급했다.[56]
8. 영향 및 평가
차르 봄바 실험은 다단계 열핵폭탄 설계 원리에 대한 실험적 검증이었으며, 열핵폭탄의 위력에 제한이 없음을 보여주었다. 이 실험은 미국이 자체 열핵 실험의 위력을 증가시키지 않는 계기가 되었으며, 1963년 부분 핵실험 금지 조약 체결에 영향을 미쳤다.[38]
실험의 과학적 결과는 다단계 열핵탄두 설계 원리를 실험적으로 검증했다는 점이다. 또한, 열핵탄두의 위력에 근본적인 제한이 없다는 이론을 확인했다. 1949년 10월, 미국 원자력 위원회의 일반 자문 위원회 공식 보고서 부록에서 핵물리학자 엔리코 페르미와 이자도어 아이작 라비는 열핵무기가 잠재적으로 "무제한의 파괴력"을 가질 수 있다고 언급했다.[58][59]
당초 납 대신 우라늄-238 외피를 사용하면 폭탄의 폭발력을 50Mt 더 쉽게 높일 수 있었다.[31] 그러나 방사성 낙진을 허용 가능한 수준 이하로 줄이기 위해 의도적으로 피복 재료를 교체하여 위력을 감소시키기로 결정했다.[38] 이 폭발은 단위 위력당 대기 핵실험 역사상 가장 깨끗한 폭발 중 하나로, 폭발력의 97% 이상이 열핵 융합 반응에서 나왔다.[60]
안드레이 사하로프는 이 실험을 계기로 핵 확산 반대 운동의 가장 저명한 인물 중 한 명이 되었다. 그는 1963년 부분 핵실험 금지 조약 체결에 핵심적인 역할을 했다. 이후 시민의 자유와 소련 개혁의 옹호자가 되었으며, 1975년 노벨 평화상을 수상했다.
차르 봄바 실험 이후, 다른 국가를 포함하여 차르 봄바 이상의 출력을 가진 무기는 개발되지 않았다. 차르 봄바 계획 자체가 군비 경쟁에서 서방 국가에 대한 위협 및 수소폭탄 실험이 주된 목적이었으며, 무기로 운용하기에는 지나치게 거대하고 강력하여 실용성이 떨어졌기 때문이다. 또한 현재는 명중 정밀도가 높은 미사일로 표적이 되는 군사 시설을 정밀 타격하는 것이 가능해졌기 때문에, 주변 일대를 무차별적으로 불태우고 광범위하게 방사능을 살포하는 차르 봄바와 같은 무기는 전략적인 측면에서도 더 이상 수요가 없어졌다.
9. 분석
차르 봄바는 지구상에서 배치된 단일 장치 중 가장 강력한 무기였으며, 역사상 가장 큰 인공 폭발이었다.[62] TNT 50메가톤의 파괴력을 가졌는데, 이는 2.1×1017 줄의 에너지에 해당하며, 39나노초 동안 핵분열과 핵융합 과정을 통해 방출되었다. 이는 대략 5.3×1024 와트 (5.3요타와트)에 해당하며, 태양이 같은 시간 동안 방출하는 에너지의 1%에 해당한다. 미국의 경우 가장 큰 무기는 B41 핵폭탄(최대 25MtonTNT)이었고, 가장 큰 핵 실험 장치인 캐슬 브라보는 15MtonTNT의 위력을 냈다. 소련이 배치한 가장 큰 무기 역시 약 25MtonTNT (예: SS-18 Mod. 3 탄두)였다.[41] 차르 봄바는 히로시마와 나가사키에 투하된 원자폭탄의 위력보다 3333배 이상 강하다.[82]
차르 봄바는 실용적인 무기가 아니라 100Mt 위력의 폭탄 설계를 시험하기 위한 단일 제품이었다.[19] 원래 100MtonTNT 설계는 폭발 시 전 세계 핵분열 낙진을 25% 증가시켰을 것으로 추정되지만,[63] 낙진 및 승무원 안전 문제를 고려하여 50Mt로 축소되었다.[64]
차르 봄바는 운반 폭격기의 사거리와 속도를 제한했고, 대륙간 탄도 미사일로 운반하려면 훨씬 더 강력한 미사일이 필요했다.[63] 소련은 50~150Mt 범위의 탄두를 탑재 가능한 "초중량" 탄도 미사일을 개발했다.
- UR-500 – (탄두 질량 40톤, 프로톤으로 구현, GRAU 지수 8K82)
- N-1 – (탄두 질량 75ton~95ton, 달 탐사 프로그램 운반 로켓으로 전환, 1976년 종료, GRAU 지수 11A52)
- R-56 – (GRAU 지수 8K67)[65]
이 로켓 프로그램은 소련 우주 프로그램 발사체로 사용되거나 취소되었다.
차르 봄바 실험 이후, 다른 국가를 포함하여 차르 봄바 이상의 출력 무기는 개발되지 않았다. 차르 봄바 계획은 군비 경쟁에서 서방에 대한 위협 및 수소폭탄 실험이 주 목적이었으며, 무기로 운용하기에는 지나치게 거대하고 강력하여 실용성이 떨어졌다. 또한, 현재는 고정밀 미사일로 군사 시설 정밀 타격이 가능해져, 주변 일대를 무차별 파괴하고 방사능을 광범위하게 살포하는 차르 봄바와 같은 무기는 전략적 수요가 없어졌다.
10. 대중 매체에서의 등장
트리니티 앤 비욘드: 원자 폭탄 영화(1995)에는 소련의 폭탄 관련 다큐멘터리 영상이 나오는데, 이 폭탄은 "러시아 괴물 폭탄"으로 언급된다.[66] 2011년 PBS 다큐멘터리 시리즈 "죽음의 비밀"의 "세계 최대의 폭탄" 편에서는 캐슬 브라보(Castle Bravo)와 차르 봄바 폭발로 이어진 사건들을 다룬다. 2020년 8월, 로사톰(Rosatom)은 차르 봄바 실험에 대한 기밀 해제된 러시아어 다큐멘터리 영상을 유튜브에 공개했다.[68]
소설 『아득한 별』에서는 "50메가톤급 시제품 대형 반응탄"이라는 이름으로 등장한다. 작중에서는 핵무기를 "반응 병기"라고 부른다. 쿠바 미사일 위기 당시 미군이 쿠바를 침공하여 제3차 세계 대전이 발발한 세계에서, 소련은 이 폭탄을 파나마 운하에 여러 발 투하했다. 그 결과, 파나마 지협은 파나마 해협으로 변했다고 묘사된다.
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