1. 핵분열과 원자폭탄
먼저 핵분열이란...
원자핵이 두개 이상의 원자나 입자로 분열되는 현상을 말합니다. 원자번호가 높고 원자량이 많은 원자들은 원자의 인력이 낮기 때문에 근본적으로 분열하여 안정해 지려는 특성을 가지고 있다. 보다 더 안정화된 상태를
가지기 위해 원자핵이 분열하는 것을 핵 분열이라고 한다. 아래의 그림참조.
통상적으로 핵분열 때 비교적 큰 분열파편 외에 낮은 에너지의 중성자가 방출되는 경우가 많으며, 이들 중성자는 더욱 핵분열을 촉진시킴으로써 연쇄적인 분열반응의 가능성이 생기게 된다.
예를 우라늄 238 238U은 바륨 139 139Ba 및 크립톤 97 97Kr 등으로 분열하여 분열파편은 중성자 두개와 170 MeV의 평균에너지를 방출시킵니다. 이런 과정을 핵분열이라 한다.
우라늄의 동위원소 중 235 U 는 1개의 중성자를 흡수하여 두 개의 원자핵으로 분열되면서 2~3개의 중성자와 200MeV의 에너지를 방출한다. 이는 원료의 질량에 비하여 0.1%의 효율이 있습니다.(즉 0.1% 질량이 E=mc^2의 원리에 의해 에너지로 변환되는 것이다.)
원자폭탄은...
이러한 핵분열 현상을 분열속도의 제어없이 일시에 진행시키는 폭탄을 말한다.(중성자의 방출되는 양을 제어하면 핵분열이 서서히 일어나게 되고 그것이 바로 원자로인것은 잘 알고 있다)
핵 분열이란 핵분열을 일으키는 재료가 일정한 중량이 되기 전까지는 핵분열이 일어나지 않다가 일정 중량을 초과하게 되면 비로소 핵분열이 시작되는데 그 중량을 임계질량이라고 한다.
원자폭탄의 원리는 임계질량이 되지 않는 핵분열 재료 수개를 따로 저장하였다가 일반적인 화약을 이용하여 일시에 한 곳으로 합체(?)시켜 줌으로써 일시에 핵분열이 일어나게 유도하는 것이다. 아래의 그림을 보시면 이해가 된다.
위의 그림을 보시면 우라늄이 A와 B로 나누어져 있다. 그런데 그 양은 둘 다 임계질량이 안된다. 그런데 두개가 합쳐지면 임계질량이 된다. 그러다가 운영하는 사람이 이를 터뜨리고자 할 때(또는 지상에 떨어져 충격을 받았을 때, 또는 공중에서 일정고도가 되었을 때 ==> 지정해 주는데에 따라 신관이 작동을 한다.) 신관이 작동해서 앞부분에 있는 화약이 터진다.
화약이 터짐과 동시에 B의 위치에 있는 우라늄이 A와 결합하는 순간 임계질량을 넘어버리고 핵분열이 급격히 시작된다. 바로 이것이 원자폭탄이다.
2. 핵융합과 수소폭탄
핵융합이라는 것은....
두개 이상의 원자핵이 결합하여 좀더 무거운 새로운 한개의 원자핵이 되는 현상을 말한다.
핵분열을 자연상태에서 일어나거나 또는 무거운 원자핵들이 가속된 중성자를 얻어 맞았을 때 발생하지만 이 핵융합은 자연상태에서는 절대로 일어나지 않고 원자를 1억도 수준으로 고온고압상태로 압축하면 원자들이 견디지를 못하고 핵융합을 하게 됩니다.(대다수의 핵융합을 일으키는 물질들은 자연상태에서 안정화된 원자들이다. 아무이유 없이 핵융합을 할 이유가 없다)
핵융합은 대체로 원자핵들이 가벼울 수록 잘 일어난다.(극단적으로 높은 고온고압 상태에서는 철 보다 원자량이 적은 물체들은 모두 핵융합을 일으킬 수 있다. 수조도 정도에서...)
자연상태에서 핵융합이 일어나지 않다보니 이를 이용하거나 무기로 만들기 위해서는 수억도의 열을 발생시켜 줘야 하는데, 지구의 환경에서는 이 정도의 열을 낼 수 있는 장치는 원자폭탄 밖에는 없다.
전형적으로 일어나는 핵융합은 삼중수소와 이중수소가 고온하에서 반응하여 헬륨의 원자핵이 융합되면서 중성자 1개가 튀어나오게 되는 것이다. 그런데 이 삼중수소와 이중수소는 모두 액체 상태를 사용하기 때문에 복잡한 냉각장치 등이 필요하다.(수소는 상온에서 기체이니까)
그래서 리튬과 수소의 화합물(고체)을 사용하는 것이 실용화되었다. 일단 수소폭탄내에 장치해둔 원자폭탄이 터져 1억도의 온도를 발생시키면,
중수소화 리튬이 고온하에서 중성자의 충격을 받고 헬륨과 2중수소와 삼중수소가 생성된다.
그러면 다시 이중수소와 삼중수소가 융합하여 헬륨이 생겨나고, 중성자가 튀어나오게 된다. 이게 수소폭탄이다.
아래의 그림을 보자.(왼쪽사진 중심으로 설명하면.)
일단 가장 많은 황토색 부분이 수소핵융합을 일으키는 중수소화리튬이다.
가장 가운데는 중성자를 발생시키는 중성자원이 있고 그 둘레에는 핵분열을 일으키는(1억도의 환경을 제공해 주는) 우라늄 235가 있고 그 외부에는 기폭약(화약)이 있다.
신관이 작동되면 기폭약이 터져 우라늄 235를 중간지점으로 보낸다. 임계량에 도달한 우라늄 235는 핵분열을 일으키면서 1억도의 열을 발생시킨다. 1억도에 도달한 중소수화리튬은 급격히 핵융합을 하게 된다. 이것이 수소폭탄이다.
원폭의 질량결손율이 0.1%인데 반해 수폭의 질량결손율은 0.5%에 달해 원폭에 비해 훨 효율이 좋고 또한 대형화가 가능하다.(0.1%의 질량결손이 있지만 E=mc^2 즉 빛의 속도의 제곱으로 곱하면 엄청난 에너지이다.)