핵폭탄 작동 원리

1945년 8월 6일 일본 히로시마 상공에서 인간을 죽일 수 있는 최초의 핵폭탄이 터졌습니다. 3일 후 나가사키 상공에서 두 번째 폭탄이 터졌습니다. 이 무기 로 인한 죽음과 파괴 는 전례가 없었고, 다른 세계에서 다른 종족과 함께 핵 위협을 바로 그 자리에서 종식시켰을 수도 있습니다.

그러나 일본에서 일어난 사건은 제2차 세계 대전에 가까워지기는 했지만 미국과 소련 사이의 냉전의 시작을 알렸습니다. 1945년과 1980년대 후반 사이에 양측은 핵무기에 막대한 돈을 투자하고 대부분 분쟁을 억제하기 위한 수단으로 핵무기 비축량을 크게 늘렸습니다. 폭탄으로 인한 치명적인 파괴의 위협이 모든 사람과 모든 것을 엄습했습니다. 학교는 핵 공습 훈련을 실시했습니다. 정부는 낙진 대피소를 건설했습니다 . 집주인은 뒷마당에 벙커를 팠습니다.

1970년대와 80년대에 긴장이 다소 완화되기 시작했습니다. 그러다가 1989년 베를린 장벽이 무너지고 2년 후 소련 정부 자체가 무너졌다. 냉전은 공식적으로 끝났다. 양국 관계가 개선되면서 핵무기를 제한하겠다는 약속이 나타났습니다. 일련의 조약이 뒤따르며 가장 최근의 조약은 2011년 2월에 발효되었습니다. 전임자와 마찬가지로 새로운 전략무기감축조약(START)은 전략무기를 더욱 줄이고 제한하는 것을 목표로 합니다. 다른 조치들 중에서 총 1,550개의 탄두 제한을 요구합니다[출처: 백악관 ].

불행히도 러시아와 미국이 벼랑 끝에서 잠정적으로 물러나더라도 핵전쟁의 위협은 여전하다. 이제 9개국이 탄도미사일에 핵탄두를 탑재할 수 있습니다[출처: Fischetti ]. 미국, 러시아, 중국 등 최소 3개국은 세계 어느 곳이든 공격할 수 있다. 오늘날의 무기는 일본에 투하된 폭탄의 파괴력에 쉽게 견줄 수 있습니다. 2009년 북한은 히로시마를 파괴한 원자폭탄만큼 강력한 핵무기 실험에 성공했습니다. 지하 폭발은 규모 4.5 의 지진 을 일으킬 정도로 심각했습니다 [출처: McCurry ].

핵전쟁의 정치적 지형은 수년에 걸쳐 상당히 변했지만, 무기 자체에 대한 과학, 즉 그 모든 분노를 불러일으키는 원자적 과정은 아인슈타인 이후로 알려졌습니다 . 이 기사에서는 핵폭탄이 어떻게 만들어지고 배치되는지를 포함하여 어떻게 작동하는지 검토할 것입니다. 먼저 원자 구조와 방사능에 대한 간략한 검토입니다.

내용물

1. 원자 구조와 방사능
2. 핵분열
3. 핵연료
4. 핵분열 폭탄 디자인
5. 핵분열 폭탄 방아쇠
6. 융합 폭탄
7. 핵폭탄 배달
8. 핵폭탄의 결과 및 건강 위험

폭탄에 도달하기 전에 우리는 작게, 원자적으로 작게 시작해야 합니다. 원자는 -, 당신이 기억하는 것, 세 아 원자 입자로 구성되어 양성자 , 중성자 및 전자 . 핵 이라고 하는 원자의 중심은 양성자와 중성자로 구성되어 있습니다. 양성자는 양전하를 띠고 중성자는 전혀 전하를 띠지 않으며 전자는 음전하를 띤다. 양성자 대 전자 비율은 항상 1:1이므로 원자 전체는 중성 전하를 띠고 있습니다. 예를 들어 탄소 원자에는 6개의 양성자와 6개의 전자가 있습니다.

하지만 그렇게 간단하지 않습니다. 원자의 속성은 각 입자가 얼마나 많은지에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 양성자의 수를 변경하면 완전히 다른 요소가 됩니다. 원자의 중성자 수를 변경하면 동위원소가 생성 됩니다. 예를 들어 탄소에는 3개의 동위 원소가 있습니다. 1) 탄소-12(양성자 6개 + 중성자 6개), 안정하고 일반적으로 발생하는 원소 형태, 2) 탄소-13(양성자 6개 + 중성자 7개), 안정하지만 희귀 3) 탄소-14(양성자 6개 + 중성자 8개), 희귀하고 부팅하기에 불안정(또는 방사성).

탄소에서 볼 수 있듯이 대부분의 원자핵은 안정적이지만 일부는 전혀 안정적이지 않습니다. 이 핵은 과학자들이 방사선이라고 부르는 입자를 자발적으로 방출 합니다. 방사선을 방출하는 핵은 물론 방사성 이며 입자를 방출하는 행위는 방사성 붕괴 로 알려져 있습니다. 방사성 붕괴에 대해 특히 궁금하다면 How Nuclear Radiation Works 를 정독하고 싶을 것 입니다. 지금은 방사성 붕괴의 세 가지 유형에 대해 살펴보겠습니다.

특히 그 분열 부분을 기억하십시오. 그것은 우리가 핵폭탄의 내부 작용에 대해 논의할 때 계속해서 나올 것입니다.

핵폭탄은 원자의 핵, 특히 불안정한 핵을 가진 원자를 함께 유지하는 강한 힘과 약한 힘을 포함합니다. 핵 에너지가 원자 에서 방출될 수 있는 두 가지 기본 방법이 있습니다 . 에서는 핵분열 (사진) 과학자들은 중성자 두 개의 작은 조각으로 원자핵을 분할. 태양이 에너지를 생성하는 과정인 핵융합 은 두 개의 더 작은 원자를 결합하여 더 큰 원자를 형성하는 과정을 포함합니다. 핵분열 또는 핵융합 과정에서 많은 양의 열 에너지와 복사 가 방출 됩니다.

우리는 핵분열의 발견을 이탈리아 물리학자 Enrico Fermi의 연구로 돌릴 수 있습니다. 1930년대에 페르미는 중성자 충격을 받은 요소가 새로운 요소로 변형될 수 있음을 보여주었습니다. 이 작업으로 느린 중성자와 주기율표에 표시되지 않은 새로운 요소가 발견되었습니다. Fermi의 발견 직후, 독일 과학자 Otto Hahn과 Fritz Strassman은 우라늄에 중성자를 충돌시켜 방사성 바륨 동위원소를 생성했습니다. 그들은 저속 중성자가 우라늄 핵을 두 개의 더 작은 조각으로 분열시키거나 부서지게 했다고 결론지었습니다.

그들의 작업은 전 세계의 연구실에서 활발한 활동을 촉발했습니다. 프린스턴 대학에서 Niels Bohr는 John Wheeler와 함께 핵분열 과정의 가상 모델을 개발했습니다. 그들은 핵분열을 겪고 있는 것이 우라늄-238이 아니라 우라늄 동위원소인 우라늄-235라고 추측했다. 거의 동시에 다른 과학자들은 핵분열 과정에서 훨씬 더 많은 중성자가 생성된다는 사실을 발견했습니다. 이것은 Bohr와 Wheeler로 하여금 중대한 질문을 하도록 이끌었습니다. 핵분열에서 생성된 자유 중성자가 엄청난 양의 에너지를 방출하는 연쇄 반응을 시작할 수 있습니까? 그렇다면 상상도 할 수 없는 위력의 무기를 만들 수 있을지도 모른다.

그리고 그랬다.

1940년 3월, 뉴욕시에 있는 컬럼비아 대학에서 일하는 과학자 팀은 보어와 휠러가 제시한 동위원소 우라늄-235 또는 U-235 가 핵분열의 원인 이라는 가설을 확인했습니다 . Columbia 팀은 1941년 가을에 U-235를 사용하여 연쇄 반응을 시작하려고 했지만 실패했습니다. 그 후 모든 작업은 시카고 대학으로 옮겨져 대학의 스태그 필드 아래에 위치한 스쿼시 코트에서 엔리코 페르미가 마침내 세계 최초의 통제된 핵 연쇄 반응을 달성했습니다. U-235를 연료로 하는 핵폭탄 개발은 빠르게 진행됐다.

핵폭탄 설계의 중요성 때문에 U-235를 더 자세히 살펴보겠습니다. U-235는 유도 핵분열을 겪을 수 있는 몇 안 되는 물질 중 하나입니다 . 우라늄이 자연적으로 붕괴되기까지 7억 년 이상을 기다리는 대신, 중성자가 핵에 부딪히면 원소가 훨씬 더 빨리 분해될 수 있습니다. 핵은 망설임 없이 중성자를 흡수하고 불안정해지며 즉시 분열한다.

핵이 중성자를 포획하자 마자 2개의 더 가벼운 원자로 분열되어 2~3개의 새로운 중성자를 방출합니다. 두 가벼운 원자는 감마 방출 방사선이 그들의 새로운 상태로 정착한다. 이 유도 핵분열 과정에 대해 흥미롭게 만드는 몇 가지 사항이 있습니다.

1941년 버클리의 캘리포니아 대학교 과학자들은 핵연료로서의 가능성을 제공할 수 있는 또 다른 원소인 94번 원소를 발견했습니다. 그들은 원소의 이름을 플루토늄(Plutonium)으로 지었고, 이듬해 실험에 사용할 만큼 충분히 만들었습니다. 결국 그들은 플루토늄의 핵분열 특성을 확립하고 핵무기의 두 번째 가능한 연료를 확인했습니다.

핵분열 폭탄에서 연료는 조기 폭발을 방지하기 위해 핵분열을 지원하지 않는 별도의 아임계 질량 으로 유지되어야 합니다 . 임계 질량 은 핵분열 반응을 유지하는 데 필요한 핵분열성 물질의 최소 질량입니다. 대리석 비유에 대해 다시 생각해보십시오. 구슬의 원이 너무 멀리 떨어져 있으면(아임계 질량) "중성자 구슬"이 중심에 부딪힐 때 더 작은 연쇄 반응이 발생합니다. 구슬이 원(임계 질량)에서 서로 더 가깝게 배치되면 큰 연쇄 반응이 발생할 가능성이 더 높아집니다.

연료를 별도의 아임계 질량으로 유지하면 핵분열 폭탄이 제대로 작동하려면 해결해야 하는 설계 문제가 발생합니다. 물론 첫 번째 과제는 아임계 질량을 모아 초임계 질량 을 형성하는 것입니다. 초임계 질량은 폭발할 때 핵분열 반응을 유지하기에 충분한 중성자를 제공합니다. 폭탄 설계자는 다음 섹션에서 다룰 두 가지 솔루션을 제시했습니다.

다음으로, 자유 중성자는 핵분열을 시작하기 위해 초임계 질량에 도입되어야 합니다. 중성자는 중성자 발생기 를 만들어 도입됩니다 . 이 발전기는 폴로늄과 베릴륨의 작은 펠릿으로, 핵분열성 핵연료 코어 내에서 호일로 분리됩니다. 이 생성기에서:

마지막으로, 설계는 폭탄이 폭발하기 전에 가능한 한 많은 물질이 분열될 수 있도록 해야 합니다. 이것은 일반적으로 우라늄-238로 만들어진 탬퍼(tamper ) 라고 하는 조밀한 물질 내에서 핵분열 반응을 제한함으로써 달성됩니다 . 탬퍼는 핵분열 코어에 의해 가열되고 팽창됩니다. 이러한 탬퍼의 팽창은 핵분열 핵에 압력을 가하고 핵의 팽창을 늦춥니다. 탬퍼는 또한 중성자를 핵분열 핵으로 다시 반사시켜 핵분열 반응의 효율성을 높입니다.

아임계 질량을 모으는 가장 간단한 방법은 한 질량을 다른 질량으로 발사 하는 총 을 만드는 것 입니다. 중성자 발생기 주위에 U-235의 구체가 만들어지고 U-235의 작은 총알 이 제거됩니다. 총알은 뒤에 폭발물이 있는 긴 튜브의 한쪽 끝에 배치되고 구체는 다른 쪽 끝에 배치됩니다. 기압 센서는 폭발에 적합한 고도를 결정하고 다음 이벤트 시퀀스를 트리거합니다.

히로시마에 투하된 폭탄인 리틀 보이(Little Boy )는 이러한 유형의 폭탄으로 약 1.5%의 효율로 14.5킬로톤(TNT의 14,500톤에 해당)을 생산했습니다. 즉, 폭발이 물질을 옮기기 전에 물질의 1.5%가 핵분열되었습니다.

초임계 질량을 생성하는 두 번째 방법은 내파에 의해 아임계 질량을 함께 구형으로 압축해야 합니다. 나가사키에 투하된 팻맨(Fat Man )은 이른바 내파 유발 폭탄 중 하나였습니다 . 구축하기가 쉽지 않았습니다. 초기 폭탄 설계자들은 특히 충격파를 구체 전체에 균일하게 제어하고 지시하는 방법과 같은 몇 가지 문제에 직면했습니다. 그들의 해결책은 탬퍼 역할을 하는 U-235 구체와 고폭탄으로 둘러싸인 플루토늄-239 코어로 구성된 내파 장치를 만드는 것이었습니다. 폭탄이 터졌을 때 17%의 효율로 23킬로톤의 수율을 보였습니다. 이것은 일어난 일입니다:

설계자는 기본 내파 유발 설계를 개선할 수 있었습니다. 1943년 미국 물리학자 에드워드 텔러(Edward Teller)는 부스팅의 개념을 발명했습니다. 부스팅 은 핵융합 반응을 사용하여 중성자를 생성한 다음 더 높은 속도로 핵분열 반응을 유도하는 데 사용하는 과정을 말합니다. 첫 번째 테스트에서 부스팅의 유효성이 확인되기까지 8년이 더 걸렸지만 일단 증명이 되자 대중적인 디자인이 되었습니다. 그 후 몇 년 동안 미국에서 제작된 핵폭탄의 거의 90%가 부스트 설계를 사용했습니다.

물론 핵무기의 주요 에너지원으로 핵융합 반응을 사용할 수도 있습니다. 다음 섹션에서는 핵융합 폭탄의 내부 작동 방식을 살펴보겠습니다.

핵분열 폭탄은 효과가 있었지만 그다지 효율적이지 않았습니다. 과학자들은 반대의 핵 과정인 핵융합이 더 잘 작동할 수 있는지 궁금해하는 데 오랜 시간이 걸리지 않았습니다. 융합은 두 원자의 핵이 결합하여 더 무거운 단일 원자를 형성할 때 발생합니다. 극도로 높은 온도에서 수소 동위원소 중수소와 삼중수소의 핵은 쉽게 융합되어 그 과정에서 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 이 과정을 이용하는 무기는 핵융합 폭탄 , 열핵 폭탄 또는 수소 폭탄 으로 알려져 있습니다. 핵융합 폭탄은 핵분열 폭탄보다 더 높은 킬로톤 수율과 효율성을 갖지만 해결해야 할 몇 가지 문제가 있습니다.

과학자들은 상온에서 방사성 붕괴를 일으키지 않는 고체 화합물인 중수소리튬을 주요 열핵 물질로 사용하여 첫 번째 문제를 극복했습니다. 삼중수소 문제를 극복하기 위해 폭탄 설계자들은 리튬으로부터 삼중수소를 생산하는 핵분열 반응에 의존합니다. 핵분열 반응은 또한 최종 문제를 해결합니다. 핵분열 반응에서 방출되는 대부분의 방사선은 X선 이며, 이러한 X선은 핵융합을 시작하는 데 필요한 높은 온도와 압력을 제공합니다. 따라서 핵융합 폭탄은 1차 핵분열 또는 증폭 핵분열 구성요소와 2차 핵분열 구성요소의 2단계 설계를 갖습니다.

이 폭탄 설계를 이해하려면 폭탄 케이스 안에 내파 핵분열 폭탄과 우라늄-238(탬퍼) 실린더 케이스가 있다고 상상해 보십시오. 탬퍼 안에는 중수소리튬(연료)과 실린더 중앙에 있는 플루토늄-239의 속이 빈 막대가 있습니다. 내파 폭탄에서 실린더를 분리하는 것은 우라늄-238의 방패와 폭탄 케이스의 나머지 공간을 채우는 플라스틱 폼입니다. 폭탄이 폭발하면 다음과 같은 일련의 사건이 발생합니다.

이 모든 사건은 약 6000억 분의 1초(핵분열 폭탄 폭발의 경우 5500억 분의 1초, 핵융합 사건의 경우 500억 분의 1초) 동안 발생합니다. 그 결과 리틀 보이 폭발보다 700배 더 강력한 10,000킬로톤의 엄청난 폭발이 일어납니다.

핵폭탄을 만드는 것입니다. 무기를 의도한 목표물에 전달하고 성공적으로 폭발시키는 것은 완전히 다른 문제입니다. 이것은 제2차 세계 대전이 끝날 때 과학자들이 만든 최초의 폭탄에 특히 해당되었습니다. 맨해튼 프로젝트 의 회원인 필립 모리슨은 Scientific American의 1995년 호 에서 초기 무기에 대해 이렇게 말했습니다. 믿을 수 있는 무기라기보다 즉석에서 만든 복잡한 실험실 장비에 가깝습니다."

그 폭탄을 최종 목적지로 배달하는 것은 설계 및 건설만큼이나 즉석에서 이루어졌습니다. USS 인디애나폴리스는 1945년 7월 28일 리틀 보이 폭탄의 부품과 농축 우라늄 연료를 태평양 티니안 섬으로 운송했습니다. 개조된 B-29 3대가 탑재된 Fat Man 폭탄의 구성품은 8월 2일에 도착했습니다. 60명 중 60명의 과학자들이 어셈블리를 돕기 위해 뉴메디칼 로스 알라모스에서 티니안으로 날아갔습니다. 무게가 9,700파운드(4,400kg)이고 코에서 꼬리까지 길이가 3미터(10피트)인 Little Boy 폭탄이 먼저 준비되었습니다. 8월 6일 승무원은 폴 티베츠 대령이 조종하는 B-29 에놀라 게이에 폭탄을 장전했다. 비행기는 750마일(1,200km)의 일본 여행을 했고 히로시마 상공에 폭탄을 떨어뜨렸고 정확히 오전 8시 12분에 폭발했다.000kg) Fat Man 폭탄은 Charles Sweeney 소령이 조종하는 두 번째 B-29인 Bockscar를 타고 같은 여행을 했습니다. 정오 직전 나가사키 상공에서 치명적인 탑재체가 폭발했습니다.

오늘날 일본에서 사용되는 방법인 항공기에 탑재된 중력 폭탄 은 핵무기를 운반하는 실행 가능한 방법으로 남아 있습니다. 그러나 수년에 걸쳐 탄두의 크기가 줄어들면서 다른 옵션을 사용할 수 있게 되었습니다. 많은 국가들이 핵 장치로 무장한 다수의 탄도 미사일과 순항 미사일을 비축하고 있습니다. 대부분의 탄도 미사일 은 지상 기반 사일로나 잠수함 에서 발사됩니다 . 그들은 지구 대기권을 빠져나와 목표물까지 수천 마일을 여행하고 대기권으로 다시 들어가 무기를 배치합니다. 순항 미사일 은 탄도 미사일보다 사거리 가 짧고 탄두가 작지만 탐지 및 요격이 더 어렵습니다. 공중, 지상의 이동식 발사기 및 해군 함정에서 발사할 수 있습니다.

전술 핵무기 , 또는 TNWs는 , 또한 냉전 시대 인기를 얻었다. 더 작은 지역을 목표로 하도록 설계된 TNW에는 단거리 미사일, 포탄, 지뢰 및 폭뢰가 포함됩니다. Davy Crockett 소총과 같은 휴대용 TNW를 사용하면 1인 또는 2인의 소규모 팀이 핵 공격을 수행할 수 있습니다.

핵무기의 폭발은 엄청난 파괴를 불러일으키지만, 폐허에는 폭탄의 재료가 어디에서 왔는지에 대한 미세한 증거가 포함될 것입니다. 인구 밀집 도시와 같은 목표물에 대한 핵폭탄의 폭발은 막대한 피해를 입힙니다. 피해의 정도는 폭탄 폭발의 중심으로부터의 거리에 따라 달라지며, 이를 진저 또는 그라운드 제로 라고 합니다 . 진원에 가까울수록 피해가 심해집니다. 손상은 여러 가지 원인으로 발생합니다.

진원에서 모든 것은 고온(화씨 5억도 또는 섭씨 3억도)에 의해 즉시 기화 됩니다. 진원 바깥쪽에서는 대부분의 사상자가 열로 인한 화상, 충격파로 무너진 건물의 날아다니는 파편으로 인한 부상 및 높은 방사선에 대한 급성 노출로 인해 발생합니다. 직접적인 폭발 지역 너머에서는 열파로 인한 열, 방사선 및 화재로 인해 사상자가 발생합니다. 장기적으로 방사성 낙진은 우세한 바람 때문에 더 넓은 지역에서 발생합니다. 방사성 낙진 입자는 상수도에 들어가 폭발로부터 멀리 떨어져 있는 사람들에 의해 흡입되고 섭취됩니다.

과학자들은 인간의 건강에 대한 핵폭발의 장단기 영향을 이해하기 위해 히로시마와 나가사키 원폭의 생존자를 연구했습니다 . 방사선 및 방사성 낙진 은 신체에서 활발하게 분열 하는 세포 (모발, 장, 골수, 생식 기관 )에 영향을 미칩니다 . 그로 인한 건강 상태 중 일부는 다음과 같습니다.

이러한 상태는 종종 백혈병, 암 , 불임 및 선천적 결함 의 위험을 증가시킵니다 .

과학자들과 의사들은 여전히 ​​일본에 투하된 폭탄의 생존자를 연구하고 있으며 시간이 지남에 따라 더 많은 결과가 나타날 것으로 기대하고 있습니다.

1980년대에 과학자들은 핵전쟁(세계의 여러 지역에서 많은 핵폭탄이 폭발함)의 가능한 영향을 평가하고 핵겨울 이 발생할 수 있다는 이론을 제안했습니다 . 핵겨울 시나리오에서 많은 폭탄의 폭발은 먼지와 방사성 물질의 거대한 구름을 일으켜 지구의 대기권으로 높이 올라갈 것입니다. 이 구름은 햇빛을 차단합니다. 감소된 햇빛 수준은 지구의 표면 온도를 낮추고 식물과 박테리아에 의한 광합성을 감소시킬 것입니다. 광합성의 감소는 먹이 사슬을 붕괴시켜 생명(인간 포함)의 대량 멸종을 초래할 것입니다. 이 시나리오는 공룡 의 멸종을 설명하기 위해 제안된 소행성 가설 과 유사합니다.. 핵겨울 시나리오의 지지자들은 미국의 세인트 헬렌 산과 필리핀의 피나투보 산 의 화산 폭발 이후 지구를 가로질러 멀리 이동한 먼지와 파편 구름을 지적했습니다 .

핵무기는 원래 목표물을 훨씬 능가하는 믿을 수 없을 정도로 장기적인 파괴력을 가지고 있습니다. 이것이 세계 정부가 핵폭탄 제조 기술과 재료의 확산을 통제하고 냉전 기간 동안 배치된 핵무기를 축소하려는 이유입니다. 북한 등의 핵실험이 국제사회의 뜨거운 반응을 받는 이유이기도 하다. 히로시마와 나가사키 원폭 투하가 수십 년 전일지 모르지만 운명적인 8월 아침의 끔찍한 이미지는 그 어느 때보 다 맑고 밝게 타오릅니다.

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