우라늄과 플라토늄이 어떤 과학적 원리를 통해 핵무기로 만들어지는지요?
핵무기를 만드는데 핵심적인 재료들이죠. 우라늄과 플라토늄. 바로 이 핵원료들은 어떤 과학적 원리를 통해 핵무기로 만들어지는지요?
안녕하세요. 형성민 과학전문가입니다.
핵분열은 원자핵이 중성자의 충돌이나 흡수에 의해 분열되는 과정을 말합니다. 우라늄-235(U-235) 및 플루토늄-239(Pu-239) 등의 핵종은 중성자의 충돌을 통해 분열되면서 방대한 에너지를 방출합니다. 이 에너지는 폭발적인 원자폭탄 또는 핵폭탄으로 이용될 수 있습니다. 핵분열 반응에서 방출되는 중성자는 다른 핵종을 분열시키며, 연쇄반응을 유발하여 엄청난 에너지를 생산할 수 있습니다.
안녕하세요. 김태경 과학전문가입니다.
원자의 종류는 전부 100여 종이 되지만 원자번호 92인 우라늄이 자연에서 얻을 수 있는 가장 큰 원자번호의 원자이다. 이러한 원자에 중성자를 충돌시키면 외곽 전자를 뚫고 들어가 원자핵과 충돌해 원자핵을 변화시켜 핵반응을 일으키는데 이것이 핵폭탄의 기본 원리이다
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.우라늄과 플루토늄은 핵물리학적인 원리를 기반으로 핵무기로 만들어질 수 있습니다. 주요한 원리는 핵분열(또는 핵융합)과 연쇄반응입니다.핵분열은 원자핵이 중성자의 충돌이나 기타 외부 자극에 의해 분열되는 과정입니다. 우라늄-235(U-235) 또는 플루토늄-239(Pu-239) 같은 특정한 핵종은 중성자의 충돌을 받으면 분열하여 두 개의 작은 원자핵, 추가 중성자, 그리고 대량의 에너지를 방출합니다. 이 에너지는 폭발적인 형태로 방출될 수 있습니다. 분열 과정에서 방출된 중성자는 다른 핵분열을 일으킬 수 있습니다. 이렇게 발생한 중성자는 더 많은 핵분열을 유발하여 추가 중성자와 에너지를 방출합니다. 이런 과정이 연쇄적으로 반복되면, 대량의 에너지가 폭발적으로 방출되는 연쇄반응이 일어납니다.
안녕하세요. 류경범 과학전문가입니다.
원자폭탄은 우라늄이나 플루토늄 원소의 원자핵이 일으키는 핵분열 반응을 이용하는 핵무기입니다.
하나의 핵이 쪼개질 때 그 핵에서는 중성자가 튀어나오고 이 중성자는 그 옆의 핵을 때려 다른 중성자가 빠져나오게 합니다.
이런 일이 순식간에 연쇄적으로 일어나면서 엄청난 폭발력을 발생시키는데, 그 폭발력을 이용한 것이 바로 말씀하신 핵무기입니다.
안녕하세요. 과학전문가 Trail Blazer 입니다.
1. 천연 우라늄을 원자로의 핵 연료봉을 통해 우라늄 235를 우라늄 238과 플루토늄 239로 변환시킵니다.
2. 플루토늄은 우라늄 핵연료를 재처리 해야만 얻을 수 있기 때문에 폐연료봉을 재처리하여 플루토늄 239를 추출하여
얻습니다.
3. 이제 플루토늄을 중성자와 충돌시켜 핵분열을 일으키면 핵무기가 만들어집니다.
하루 빨리 북한이 핵을 포기하고 평화가 왔으면 좋겠습니다.
참고사이트
https://n.news.naver.com/mnews/article/001/0008621175?sid=100
(연합뉴스 - <그래픽> 플루토늄 생산 및 핵무기 제조 과정)
https://www.donga.com/news/article/all/20021017/7873410/1
(동아일보 - [北 核개발계획 파문] 농축우라늄 핵폭탄은)
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
우라늄과 플루토늄은 핵분열 반응에 이용되는 원소로, 핵무기의 제작에 중요한 역할을 합니다. 핵무기는 원자핵 분열 반응을 이용하여 대량의 에너지를 생성하는데, 이러한 반응은 우라늄 또는 플루토늄이 중성자를 가지고 충돌함으로써 일어납니다.
우라늄-235, 플루토늄-239 등의 핵분열성 동위원소는 중성자가 충돌하여 분열하여 에너지를 방출하면서 중성자를 방출합니다. 이 중성자는 다른 우라늄 또는 플루토늄 핵과 충돌하여 반응을 일으키면서 추가적인 중성자를 생성합니다. 이러한 과정을 연쇄 반응이라고 합니다.
연쇄 반응이 일어나기 위해서는, 우라늄 또는 플루토늄 핵의 양이 일정 수준 이상이어야 하며, 이를 위해서는 핵물리학적인 원리와 반응 제어 기술이 필요합니다. 핵분열 반응에 의해 방출되는 에너지는 대량의 열과 방사선을 발생시키기 때문에, 핵무기를 제작하는 과정에서는 안전과 보안에 대한 이슈도 중요합니다.
안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.
핵분열을 이용한 핵무기(원자탄)의 주요 구성요소는 핵물질(U-235 또는 Pu-239), 중성자 발생장치, 고폭장약, 격발장치 및 반사재로 이루어집니다.
핵물질이 폭발시키기 위해서는 임계질량이 달성되어야 합니다. 임계질량은 핵폭발에 필요한 최소한의 핵물질 질량입니다. 그러므로 평소에는 임계질량 상태가 되지 않도록 핵물질을 2개 이상 여러 조각으로 분리시켜 두었다가 필요시에 순간적으로 임계질량에 도달하게 하여 여기에 중성자를 공급하면 핵폭발이 일어납니다.
핵무기는 이와 같이 “순간적으로 임계질량에 도달하게”하는 방법에 따라 포신형(Gun-Type)과 내폭형(Implosion-Type) 두 가지 형태로 나누어집니다.
'Fat Man': 1945. 8. 9. 나가사끼 투하
길이: 3.7 m, 직경: 1.5 m, 중량: 4.9 ton
폭발력 : 21 킬로톤 (TNT 상당)
핵물질 : 플루토늄 6.2 k
<나가사끼에 투하된 원자탄 Fat-man, 내폭형 원자탄이다>
Little Boy : 1945. 8. 6. 히로시마 투하
길이 : 3 m, 직경 : 0.71 m, 중량 : 4 ton
폭발력 : 15 킬로톤 (TNT 상당)
핵물질 : 고농축우라늄(농축도 80%) 64 kg 사용
<히로시마에 투하된 원자탄 Little Boy, 최초의 포신형 원자탄이다>
핵무기 설계
최초의 핵 무기. 크지만 비효율적인 이 무기는 앞으로의 모든 핵 무기의 설계의 기본이 되었다.
핵무기 설계란 핵무기가 폭발하도록 하는 물리, 화학, 공학의 집적 과정이다. 핵무기 설계는 일반적으로 무기의 에너지원에 따라 두 부류로 나눌 수 있다.
핵분열 폭탄은 주요한 에너지를 핵분열에서 얻는다. 핵분열은 우라늄이나 플루토늄과 같은 무거운 원자핵이 중성자에 맞아서 보다 가벼운 원소로 쪼개어지면서 중성자 및 에너지를 생성하는 과정이다. 새로이 생성된 중성자는 또 다른 원자핵의 분열을 야기하며, 이러한 연속적인 과정은 핵 연쇄 반응으로 불리며, 엄청난 양의 에너지를 방출한다. 이 폭탄은 예전부터 원자 폭탄으로 불리어 왔다.
핵융합 폭탄은 주요한 에너지를 핵융합에서 얻는다. 핵융합은 중수소나 리튬과 같은 가벼운 원자핵이 보다 무거운 원자핵으로 결합하면서 많은 양의 에너지를 방출하는 현상이다. 핵융합 폭탄은 사용되는 연료때문에 수소 폭탄으로도 불리며, 연쇄 반응이 일어나기 위해 필요한 높은 온도로 인해 열핵폭탄으로도 불린다.
이 두 형태의 무기의 구분은 실제로는 불명확하며, 이는 거의 모든 현대 무기에는 두 가지의 특성이 산재해 있기 때문이다. 즉 작은 핵분열 폭탄이 핵융합 이전에 필요한 높은 온도 및 압력을 얻기 위해 사용된다는 것이다. 또한, 핵융합 물질 역시 핵분열 장치의 내부에 존재할 수 있으며, 이러한 물질은 추가적인 중성자를 생성해 핵분열 반응의 효율성을 높여주기도 한다. 대부분의 핵융합 무기는 에너지 생성분의 상당량(종종 총 생산량의 거의 반에 가깝기도 한 양)을 핵융합 반응으로 시작된 마지막 단계의 핵분열을 통해 얻기도 한다. 핵분열 및 핵융합 무기의 공통된 특징은 원자핵의 변형을 통해 에너지를 방출한다는 것이며, 이러한 특징을 가장 잘 나타내는 용어는 바로 핵폭탄이다.
중성자 폭탄, 코발트 폭탄, salted bomb과 같은 특징적인 핵폭탄도 존재한다.
핵분열 무기
가장 단순한 핵무기는 순수한 핵분열 폭탄이다. 이 종류는 맨해튼 계획이 설계한 최초의 핵무기이며, 앞으로 등장할 발전된 형태의 핵무기의 기본 구성요소이다.
임계 질량
핵분열시의 핵 연쇄 반응은 핵분열성 물질의 크기, 모양, 순도, 및 주변의 물질에 좌우된다. 만약 핵분열성 물질의 질량이 연쇄 반응을 지속할 수 있을 정도가 되면, 이를 임계 질량이라고 한다. 질량이 임계 질량인지 아닌지를 나타내는 수치인 유효 중성자 곱인자 k는 다음과 같이 나타난다.
k = f − l
여기서 f는 매 핵분열 반응시 방출되는 중성자의 평균 개수이며, l은 전체 계를 떠나거나 혹은 핵분열 외의 물질에 사로잡혀 사라지는 중성자의 평균 개수이다. k가 1일 경우 임계(critical)라고 하며, 1보다 작으면 아임계(亞-, subcritical), 1보다 클 경우 초임계(超-, supercritical)이라고 한다. 핵분열 폭탄은 핵분열성 물질의 아임계 질량을 초임계 질량으로 급격하게 바꿈으로서 작동하게 되며, 이러한 변화는 급속도로 연쇄 반응을 촉진시켜, 엄청난 에너지를 방출한다.
실제로는, 질량은 약간의 초임계로는 만들어지지 않는다. 대신, 약간의 아임계(k=0.9)로부터 높은 초임계(k=2 나 3)로 갑작스럽게 변하며, 각 중성자는 새로운 중성자를 만들어내며, 연쇄 반응은 더욱 급격하게 진행되게 된다. 핵분열을 이용하여 효율적인 폭탄을 만들 때 중요한 것은 충분한 양의 에너지가 방출되도록 오랫동안 폭탄을 흩어지지 않도록 하는 것이다.
폭발 이전의 핵무기는 하나 혹은 두 개의 아임계 질량의 핵분열성 물질을 지니고 있다. 하나의 아임계 물질을 지니는 폭탄은 압축 과정을 통해 초임계 상태가 된다. 두 개의 아임계 물질을 지니는 폭탄도 한다. 두 개의 아임계 물질 중 하나는 질량이 적어서 아임계 상태이며, 다른 하나는 부적절한 모양이기 때문에 아임계 상태이다. 하지만 두 물질이 합쳐진다면, 예로 첫번째의 물질이 두번째의 물질의 구멍에 들어가서 완전한 형태의 초임계 상태가 된다면 폭발하게 되는 것이다. 간혹 낮은 출력의 핵무기의 경우 두번째의 물질 역시 질량이 부족해서 아임계 상태일 수도 있다.
효율적인 폭발을 위해, 핵분열성 물질은 매우 빠른 속도로 최적의 초임계 상태에 놓여야 한다. 즉 너무 일찍 연쇄 반응이 시작해서는 안된다는 것이다. 이럴 경우 물질은 연쇄 반응에 의해 가열되며, 팽창하게 되어 최적상태에서 멀어지게 되는 것이다. 그러므로, 매우 적은 물질만이 핵분열을 하게 되고, 효율성 역시 극도로 떨어진다.
연쇄 반응을 적절한 순간에 빠르게 시작하기 위해서 중성자 방아쇠가 사용된다.
핵분열 무기를 설계하고 제조하는데 있어서의 기술적인 문제의 대부분은 초임계 질량을 만드는 시간을 최소한으로 하는 것이며, 폭발전에 발생하는 중성자의 수를 최소한으로 유지하는 것이다.
핵분열 무기에 적절한 동위원소는 높은 확률로 핵분열을 일으키면서, 핵분열 과정에서 많은 수의 여분의 중성자를 생성하며, 또한 핵분열과 무관하게 중성자를 흡수하지 말아야 하고, 마지막으로 낮은 자발 핵분열 비율을 지니고 있어야 한다. 위의 조건을 만족하는 주요한 동위원소는 우라늄-235, 플루토늄-239, 우라늄-233이다.
농축 물질
우라늄-235와 플루토늄-239는 이제까지의 핵폭탄에서 사용된 핵분열성 물질이었다. 대부분의 경우에, 이런 농축 물질을 생산하고 조달하는 일이 핵무기 개발에 있어 가장 어려운 부분이다. 예를 들어, 맨해튼 계획에서 90% 가량의 예산이 농축 물질을 생산하는 설비를 마련하는데 사용되었다. 현대의 피트(아래 참조)는 일반적으로 우라늄-235와 플루토늄-239이 혼합되어 구성된다.
최근 미국이 우라늄-233을 이용한 시험용 폭탄을 시험하였으며, 이 폭탄은 인도의 핵무기 계획에 포함될 가능성이 있다.
비록 어느 국가도 사용한 적은 없지만, 몇몇 다른 동위원소 역시 핵폭탄에 사용될 잠재적인 가능성이 있다. 1992년 미국 에너지부는 넵투늄-237이 핵폭탄에 사용될 수 있다는 사실을 비밀 해제하였다[1].
우라늄-235
자연적으로 생겨나는 우라늄은 99.29%의 대부분을 동위원소인 U-238이 차지하고 있으며, 핵분열성 동위원소인 U-235는 단지 0.71%만을 차지하고 있다. U-238은 높은 확률로 핵분열 없이 중성자를 흡수하며, 또한 높은 자발 핵분열 비율을 가지고 있다. 이러한 특징은 U-238이 핵폭탄 내부에 너무 많을 경우 핵 연쇄 반응이 성공적으로 일어나지 않을 것임을 의미한다. 무기로 사용하기 위한 우라늄은 여러 동위원소 분리 방식을 이용하여 농축되며, 대개의 분리 방식은 U-235가 U-238보다 아주 약간 가볍다는 것을 이용한다. 이 과정은 핵무기 생산 계획에서 가장 어려운 부분이며, 모든 형태의 동위원소 농축 방식은 첨단 기술이 필요하다.
20% 이상의 U-235가 포함된 우라늄은 매우 농축된 우라늄이라고 하며, 무기로 사용할만한 우라늄은 적어도 93.5%의 U-235를 지녀야 한다. U-235의 자발 핵분열 비율은 1 kg당 매 초 0.16 핵분열이며, 이러한 낮은 핵분열 비율로 인해 초임계를 달성하기 위한 두 핵분열성 물질의 결합 과정은 상대적으로 쉽다. 중성자 반사재가 없는 U-235 구의 임계 질량은 약 50 kg으로, 직경 약 17 cm의 구이다. 만약 구를 둘러싼 중성자 반사재가 있다면, 임계 질량은 15 kg 정도로도 낮아질 수 있다.
하지만, 내폭형 기폭장치를 이용하여 압축된다면, 임계 질량은 더욱 낮아질 수 있으며 위의 값은 무기를 제작하기 위한 필요량을 나타내지는 않는다.
플루토늄-239
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.
철보다 무거우면서 핵분열이 잘 일어나는 원소로 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)이 있다. 천연 우라늄 중 0.7%만이 핵분열이 일어날 수 있는 우라늄-235이고, 나머지 99.3%는 핵분열이 불가능한 우라늄-238이다.
무기로 만들려면 우라늄-235의 비율을 90% 이상으로 농축해야 한다. 이를 무기급 우라늄(weapon-grade uranium)이라고 부른다. 우라늄을 0.7%에서 20%까지 농축할 때 전체 시간과 노력의 80% 이상이 소모된다. 반대로 말하면 20%에서 90%까지 농축하는 것은 아주 쉬운 일이라는 뜻이다. 이러한 이유로 국제 핵비확산 체제에서 비핵보유국이 20% 이상으로 우라늄-235를 농축하는 것이 금지되어 있다.
플루토늄은 원자로에서 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 형성되는데, 천연 우라늄의 대부분을 차지하는 우라늄-238로부터 상당히 많은 양의 고순도 플루토늄-239를 얻을 수 있다. 플루토늄-239는 핵분열성 물질이기 때문에 농축 과정 없이 그대로 핵무기로 사용이 가능하다.
