핵폭탄은 어떤 원리로 폭발하는 것인가요?

Question

방금 전에 '오펜하이머'라는 영화를 봤는데,

극 중에 묘사된 핵폭탄은 원자폭탄인데,

핵폭탄은 어떤 원리로 폭발하는 것인가요?

Answer 1

안녕하세요. 홍성택 과학전문가입니다.

핵폭탄은 핵분열 혹은 핵융합 원리에 기반한 폭발무기입니다.

핵분열 폭탄은 원자핵을 분열시키는 과정을 이용하여 에너지를 방출합니다. 이 과정에서 중성자가 원자핵을 충돌시키고 분열시킵니다. 분열된 핵은 추가적인 중성자를 방출하면서 연쇄 반응을 일으키고, 많은 수의 핵분열이 동시에 일어나면 엄청난 에너지가 방출됩니다. 이 에너지는 폭발로 인한 열과 압력을 생성하게 됩니다.

핵융합 폭탄은 반대로, 원자핵을 융합시키는 과정을 이용하여 에너지를 방출합니다. 고온과 고압의 환경에서 원자핵이 서로 충돌하여 핵융합이 일어나고, 이 과정에서 엄청난 양의 에너지가 방출됩니다. 핵융합은 태양과 같은 별에서 일어나는 원리이며, 핵융합 폭탄은 이러한 원리를 인공적으로 재현한 것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 박준희 과학전문가입니다.

핵원자가 기폭장치를 통해 점화되어 원자분열하는 과정에 상당히 높은 열과 방사능물질 그리고 폭발을 동반하여 주변을 초토화 시키는거죠.

감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김태헌 과학전문가입니다.

핵폭탄의 원리를 알려면 기본적으로 핵분열의 원리를 알아야 하는데요.

핵분열이란 우라늄에 중성자를 집어넣으면, 이때 우라늄 원자핵이 쪼개지면서 여러개의 중성자와 다른 원자핵 몇개로 변하게 되면서 에너지가 나오는 방식입니다.

이때, 튀어나오는 여러개의 중성자가 다른 핵에 충돌하면서 다시 쪼개지고, 그러면서 나온 중성자가 다시 옆의 원자핵에 부딫치고, 하는 연쇄 반응이 단시간에 일어나면서 폭팔하는 현상이 핵폭탄이죠.

즉 연쇄반응이 가장 핵심입니다. 이때 이 연쇄반응을 일으키려면, 우라늄이 어느 적정량 이상이 뭉쳐있어야 하는데요. 이때 연쇄반응을 일으키는 최소 질량을 임계질량이라고 하는데요... 즉 순수한 우라늄이나 플로토늄을 임계질량 이상의 질량이 되도록 하기만 하면, 바로 핵폭탄은 터지게 되어 있습니다.

그런 안터지게 하는 방법은? 간단하죠. 임계질량이 되지 않는 질량만큼씩 우라늄을 따로따로 띄어서 보관하면 됩니다. 그러다 터질때 한꺼번에 합쳐버리는 거죠.

이때 문제는 합치는 타이밍이 미세하게라도 차이가 존재하면 일부만 터져나갈수 있다는 문제이죠. 즉 위력이 약해져 버립니다. 그래서 합치는 타이밍을 맞추는 여러 기술들이 나오게 되는데요... 그건 따로 알아보시도록 하고요...

핵폭탄은 폭탄의 한 종류입니다. 핵폭탄 자체가 날라가는 기능이 있는건 아니고요... 핵폭탄을 내가 원하는 장소에 가서 터지게 하려면 이 핵폭탄을 그 장소까지 옮겨줄 운송수단이 필요해 집니다. 사람이 등에 지고 옮겨도 되고요... 대포에 넣어서 발사하는 방법도 있습니다. 하지만 이런 방법들은 적진 한복판까지 옮기기에 여러가지로 힘들죠. 그래서 그 이후 개발된 방법은 비행기에 싣고 가서 떨어뜨리는 방법이죠. 옛날 일본에 떨어진 2발의 핵폭탄이 비행기를 이용했습니다. 하지만 비행기의 경우에도 제공권을 장악한 경우에나 가능한 방법이죠. 그래서 그 다음으로 개발한 방법이 바로 로켓입니다. 로켓에다 물건을 실어서 쏘아 올리면, 로켓의 크기에 따라 날려보낼수 있는 거리가 무한대로 늘어나죠. 로켓만 충분히 크다면, 지구 반대편에 떨어뜨리는 것도 가능합니다. 옛날 소련이 스푸트니크1호라는 인류최초의 인공위성을 쏘아올렸을때, 미국은 공포에 질렸었죠. 거기에 인공위성을 싣는게 아니라, 핵폭탄을 넣으면, 미국 어느 지역에라도 떨어뜨리는게 가능해 지니까요.

여하튼 그런 부분들 때문에 대부분의 핵폭탄은 로켓을 사용하는 겁니다. 내가 그걸 집적 들고가서 터트릴 수는 없으니까요.

그럼 로켓이 괘도를 바꾸는 방법을 생각하시는것 같은데요... 대부분의 로켓은 중간에 괘도를 바꾸지 못합니다. 처음 발사할때 대부분의 연료를 분사하며 날라가는게 로켓입니다. 사실 중간에 계속 연료를 분사하려면 그만큼의 연료를 그 상공까지 날라가는데 그 연료만큼 로켓의 중량이 더 무거워지기 때문에 초기 발사할때 필요한 연료의 양이 무진장 늘어납니다. 이런 비효율성때문에 대부분의 로켓은 초기 발사할때 거의 대부분의 연료를 소진해서 나머지는 그냥 관성으로 날라가게 합니다. 이때 떨어지는 위치가 어긋날수 있으므로, 작은 분사구를 로켓 주변에 몇개 달아서 정 위치가 많이 어긋나면 그때만 한번씩 분사해 위치를 보정합니다. 사실 이런 형식으로 위치를 보정하는 로켓 형태만 되어도 꽤 고급 로켓에 해당합니다. 대부분의 로켓은 그런걸로 보정하는게 아니라 꼬리날개 끝부분을 약간씩 휘어서 방향을 수정합니다.

여하튼 간에 로켓은 처음 발사할때 그 타킷이 고정되게 되어 있고요... 떨어질때까지 약간씩 미세한 조정정도만 하게 되어 있습니다.

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

핵폭탄은 핵분열이나 핵융합을 통해 엄청난 에너지를 방출하는 폭탄입니다. 핵분열은 원자핵이 중성자를 흡수하여 두 개의 작은 원자핵으로 분열하는 반응입니다. 이때 분열된 원자핵에서 중성자가 방출되고, 이 중성자는 다시 다른 원자핵을 분열시키는 과정이 반복되며 연쇄 반응이 일어납니다. 핵융합은 두 개의 작은 원자핵이 합쳐져서 더 큰 원자핵을 형성하는 반응입니다. 이때 합쳐진 원자핵의 질량보다 더 큰 질량이 에너지로 방출됩니다. 핵폭탄은 핵분열과 핵융합을 동시에 이용하는 경우가 많습니다. 먼저 핵분열을 통해 초기 폭발을 일으키고, 그 후 핵융합을 통해 더 큰 폭발력을 얻습니다. 핵폭탄의 위력은 그 크기와 종류에 따라 다양하지만, 일반적으로 수백만 톤의 TNT에 해당하는 위력을 가집니다

Answer 5

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.

원자폭탄은 20세기 특수 상대성 이론 등 인류의 과학적 지식 기반이 충분히 축적된 결과 만들어진 대량살상무기로, 핵분열에 따른 고온의 방사성 붕괴열을 인위적으로 유도하여 전쟁에 응용할 수 있을 것이라는 발상에서 시작하였다. 이러한 발상은 당시 가장 핵물리학이 발달했던 독일에서 먼저 시도되었는데, 1938년 오토 한(O. Hahn)등이 참여한 우라늄(U)의 중성자 충돌 실험에서 원자핵에 중성자를 충돌시키자 당초 초우라늄과 같은 무거운 원소가 형성될 것이라는 예측과는 달리 막대한 에너지를 방출하며 바륨(Ba)과 크립톤(Kr)으로 분열하는 것이 관측되었기 때문이다. 이듬해 1939년 제2차 세계 대전이 발발하자 이 연구는 우란프로옉트(Uranprojekt)라는 이름의 고폭약 개발 계획에 응용되었다.