20220522 3F Bomb

https://www.britannica.com/technology/nuclear-weapon/Principles-of-atomic-fission-weapons

nuclear weapon | History, Facts, Types, Countries, Blast Radius, & Effects

#NuclearBomb #physics
3F(fission-fusion-fission) bomb 에 이르기 까지

우라늄은 U-235와 U-238 로 구분되는데, 중성자 개수가 다른 동위원소이고 자연상태에서는 더 안정적인 238이 99.3%비율로 존재한다고 한다. U-235와 플루토늄-239 가 핵분열 폭탄 연료로 적당한데, 235는 희귀하므로 추출 농축 과정을 거쳐 모으고 인공 원소인 플루토늄은 이제 원자력 발전소가 존재하는 시대이기 때문에 원자로에서 부산물로 얻을 수 있다.

어떤 무거운 원자들은 중성자로 때릴 경우 쪼개지면서 부산물로 다른 중성자가 나오고 분열 과정에서 잃은 질량이 열에너지로 변환된다. 그래서 중성자 연쇄 반응을 이용하는 것이 fission(핵분열) 폭탄이다.

원자폭탄을 창조한 사업은 아마도 연료를 확보하는 것과 반응 임계점을 통제하는 기구 설계에 막대한 자원을 필요로 했을 것이다. 원자폭탄 위력이 증명된 이후, 열핵폭탄 즉 태양의 열발생 방식을 흉내낸 수소 fusion (핵융합) 폭탄이 나오기까지 오래 걸리지 않았다. 인류는 1950년대 태평양에서 처음으로 인공 태양을 시현했다.

수소 폭탄. 이제 수소 연료전지 시대가 도래할 예정이므로 오해를 피하기 위해 수소 핵융합 또는 fusion 폭탄이라고 구체적으로 불러야 할텐데, 어쨌든 열핵 폭탄 탄생과정에 에드워드 텔러라는 과학자가 있었고 수소폭탄의 아버지라 불린다는 사실을 십대때 알았다. 열핵 폭탄 구조를 보고서는 진심으로 감탄했었다. 나중에 보니 헝가리 출신인 텔러 박사는 레이건에게 훈장도 받고 본래 드센 반공주의자였다고 한다.

Teller-Ulam 구조를 보면 내부가 이원화되어 있고, 한쪽 주요 구성물은 U-235이다. 내부에 원자폭탄을 품은 것이다. 속에 품은 원자폭탄이 하는 일은 중수소 핵융합에 필요한 열과 압력을 제공하는 기폭제 역할이다. 그래서 열핵폭탄은 핵분열과 핵융합을 함께 일으키는 구조이고 테스트해보니 위력이 원자폭탄의 백배 수준이었다.

나중에 여기에 더 악마같은 아이디어가 추가되는데, 바깥 껍질을 U-238로 뒤덮는 것이다. 원자폭탄을 만들기 위해 힘들게 235를 추출하고 농축하는 이유는 238은 안정하여 분열 반응을 일으키기 어려워서 기폭제로 반응을 일으킬 수 없기 때문이다. 그런데 중수소 핵융합 폭발로 인한 열과 중성자 방출이 있다면 얘기가 달라진다. 그래서 3차 반응을 이끌어 낼 수 있고 fission - fusion - fission 연쇄 반응으로 폭발 효과를 극대화하며 특히 방사능 효과를 아주 ‘더럽게’ 끌어올릴 수 있다.

아마도 ICBM에 이런 방식의 탄두가 여러개 병렬로 탑재될 것이다. 상공에서 흩뿌려진후 각자 제 목표를 찾아가는 것이다. 미국은 50년대부터 아주 다양한 핵실험을 실컷 수행하여 매우 다양한 범위와 쓸모를 위해 다양한 폭탄들을 보유하고 있겠지만, 역시 울트라 슈퍼 큰 폭탄하면 떠오르는 강력한 위력에는 ‘인공 태양’ 방식 열핵 폭탄이 대표적이다.

물론 이론적으로는 이를 능가하는 폭탄들이 있다. 농축한 반물질을 이용하여 연료 질량을 거의 모조리 에너지로 바꿔버리는 반물질 폭탄. 마이크로블랙홀 증발현상을 이용한 블랙홀 폭탄 등이다. 폭탄으로 쓸 수 있는 구조는 발전소로도 사용할 수 있다. 반응을 느리게 통제하면 된다.

원자로와 증식로 등 기구를 만들어 자연상태에 존재하지 않는 물질들을 만들어냈듯이. 우라늄235와 이중수소 삼중수소를 추출하고 농축하듯이, 언젠가는 반물질과 블랙홀을 만들어내는 증식로 같은 걸 설계하고 운전하게 될 것이다. 그런 수준에 도달하기 전에 태양계 문명이 망하지만 않는다면.

원자력 발전소에 색다른 의미를 부여하자면 원자폭탄을 발전소로 만든 것이다. 열핵폭탄을 발전소로 만드는 기술 수준. 즉, 중수소 융합방식에서 전기 생산을 할 수 있게되면 생명체가 인공 태양을 운영하는 의미가 된다. 일단은 그때까지 잘 버텨내는 게 에너지 문명의 가까운 목표이고, 그 이후에는 보다 태양(항성)을 철저히 활용하는 문명 단계를 노릴 수 있게 된다.