북한이 수소폭탄 실험을 했다는 뉴스를 보고 여러 생각들을 한 적이 있습니다.
제가 알기로는 지금까지 세계적으로 핵폭탄 실험이 2055번 있었습니다.
미국이 1000번이 넘고 옛 소련이 약 700여번 프랑스가 200여번 영국과 중국이 45번씩인가 했습니다.
그외 인도 파키스탄이 핵실험을 했으며 이스라엘은 실질적으로 핵을 보유하고 있다고 보지만 핵실험을 한적은 없는것으로 알고 있습니다.
그러다가 1996년인가 포괄적 핵실험 금지조약 체결이후 핵실험이 없었는데 21세기 들어서는 2006년 2009년 2013년 2016년 4차례에 걸쳐서 유일하게 북한만 핵실험을 했습니다.
그것도 이번에는 수소폭탄이네요. 수소탄 이전단계인 증폭핵분열탄같다는 의견들이 있으나 이쯤되면 수소폭탄 개발기술이 거의 완료된 상태가 아닌가 합니다.
핵폭탄의 개발은 아인시타인의 건의를 받아들여 히틀러보다 먼저 핵개발을 하여야 한다는 명분아래 맨하탄 프로젝트라는 이름으로 개발하여 미국 뉴멕시코주 알라모 사막지대에서 1945년 7월 16일 첫 핵실험을 하게 됩니다.
그로부터 불과 20일 후인 8월 6일에 일본 히로시마 상공 600미터 지점에서 실전폭발한 리틀보이라는 우라늄 폭탄은 순식간에 8만명을 살상하고 그후 방사능 피해가지 합하면 수십만명이 죽게 됩니다.
원폭의 방사능 피해는 이때까지 과학자들도 몰랐었지요.
사실 나치독일은 1942년도에 핵개발을 포기하였고 미국은 그 사실을 알고 있었음에도 핵개발을 중단하지 않았습니다.
태평양전쟁 막바지 일본의 거의 대부분의 대도시들이 재래식 폭탄 폭격으로 쑥대밭이 되었었는데 히로시마는 폭격을 받지 않고 온전하게 보전되었습니다. 핵폭탄의 살상능력을 확인하기 위해서 폭격대상에서 제외한 겁니다.
그리고 3일 뒤인 8월 9일에 나가사끼에 팻맨이라는 플루토늄탄을 투하 했는데 약간 빗맞았는데도 몇달에 걸쳐서 역시 수십만명이 죽게 됩니다.
1차와 2차 핵폭격 사이 기간이 너무 빠르지 않나요?
그것은 일본이 항복하기 전에 플루토늄탄 역시 실전투하를 해서 살상능력을 확인해야 했기 때문입니다.
재래식 전투로는 더 큰 사상자가 발생하기 때문에 조기에 전쟁을 종식시키기 위해서 핵폭탄을 사용했다는 미국의 주장은 완전 구라지요.
적어도 2차폭격은 변명의 여지가 없습니다.
참고로 우라늄탄은 일반폭탄처럼 포신형으로 길쭉하게 생겼는데 플루토늄탄은 럭비공처럼 원폭형으로 둥글게 생겼습니다.
플루토늄은 폭발을 위한 임계질량을 만들기 위해 폭약을 둥글게 감싸서 폭발 시켜야 하기 때문입니다.
소련은 스파이 활동으로 미국으로부터 핵기술을 훔쳐와 1949년도 8월에 핵실험에 성공합니다.
그리고 1952년도에 미국은 태평양 비키니섬에서 첫 수소폭탄 실험을 합니다.
이때 투피스 수영복을 만든 디자이너가 그 모습이 비키니섬 수소폭탄 실험과 같이 너무 충격적이어서 비키니라는 이름을 붙였는데 지금의 비키니수영복이 그것입니다.
1년 후 53년도에 소련은 이번에는 자체 기술로 수소폭탄을 개발하는데 미국 것보다 더 성능이 뛰어났습니다.
비키니섬 수소탄의 경우 히로시마 원자탄(약 20키로톤)의 450배 정도의 위력이었는데 소련은 약 1000배정도의 위력이었습니다.
그 이유는 미국은 핵융합 재료인 수소를 습식으로 개발해서 폭탄의 크기도 커져야 하고 만들기도 복잡했는데 소련은 수소와 리튬을 이용해서 건식으로 만들었기 때문입니다.
핵실험 역사상 가장 폭발력이 강했던 수소폭탄은 1961년도에 북극해 한 섬에서 실험한 짜르봄바(황제폭탄)라는 수소폭탄인데 무려 히로시마 원자탄의 5800배에 달하는 폭발력이었습니다.
폭발로 인한 지진파가 지구를 3바퀴나 돌았고 1000키로 밖에서도 유리창이 깨질 정도였다고 합니다.
다들 아시는 내용이겠지만 우라늄이나 플루토늄탄은 핵분열탄이고 수소탄은 핵융합탄입니다.
세상의 물질중 가장 안정적인 물질은 원자번호 26번인 철(Fe)인데 철보다 무거운 물질들은 분열하여 철쪽으로 변하려는 성질이 있고 철보다 가벼운 물질들은 융합하여 철쪽으로 변하려는 성질이 있습니다.
물론 그 조건은 자연현상에서 쉽게 볼수 없는 까다로운 조건이 필요합니다.
우선 우라늄은 원자번호 92번으로 자연에서 가장 무거운 물질인데 92번이라 함은 원자핵에 양성자가 92개가 있다는 말입니다.
그런데 자연에는 우라늄238이 99.3% 존재하고 원자폭탄으로 쓰이는 우라늄235는 0.7%밖에 없습니다.
그러니까 우라늄238은 중성자가 146개(238-92)이고 우라늄 235는 중성자가 143개(235-92)인 동위원소입니다.
우라늄 핵에 중성자를 쏘아주면 핵분열을 하는데 우라늄 238은 고속의 중성자를 쏘아야 분열이 되고 우라늄 235는 저속의 중성자를 쏘아도 분열이 되기 때문에 우라늄탄은 235를 사용하는 것입니다.
고속의 중성자는 핵융합시 발생되기 때문에 우라늄238은 수소폭탄에 같이 사용해서 폭발력을 높이는데 이용되기도 합니다.
0.7%인 우라늄 235를 약 90%이상 농축하여야 핵폭탄으로 사용되는데 20키로그램정도 있으면 핵폭탄 하나를 만들수 있다고 합니다.
플루토늄은 약 6~8키로그램이면 된다고 합니다.
참고로 원자력발전소에서는 2~4%로 농축된 우라늄을 연료로 사용하고 있습니다.
플루토늄은 원자로에서 우라늄 238의 극히 일부가 플루토늄 239로 변하는데 그런 사용 후 핵연료에는 약 0.5%의 플루토늄이 포함되어 있는데 이것을 재 처리 해서 얻게 됩니다.
그런데 미국이 일본에게는 허용한 재처리시설을 우리에게는 허용하지 않아서 현재 우리는 플루토늄을 만들어 내지 못하고 있습니다.
우라늄 농축법은 가장 기초적인 방법으로 원심분리 방법이 있고 북한이 이 방법을 쓰고 있으며 농축우라늄 20키로그램 정도를 얻을려면 약 6개월쯤 걸린다고 합니다.
제가 알기로 우리나라는 가장 뛰어난 기술인 레이저농축법 기술을 비공식적으로 가지고 있는데 약 3.5일이면 핵폭탄 1개를 만들수 있는 농축우라늄 20키로그램을 만들 수 있다고 합니다.
IAEA 사찰대상이므로 공식적으로는 없는 기술로 되어 있구요.
우리나라도 빠르면 3개월 늦어도 6개월이면 핵폭탄 하나를 만들수 있는 기술을 보유하고 있다고 합니다.
원자력발전소에서 사용한 사용후 핵연료는 약 10,000톤을 보유하고 있고 만약 이를 재처리 한다면 약50톤의 플루토늄을 만들수 있으며 이 수량이면 적어도 플루토늄탄 5000두를 만들 수 있다는 계산이 되네요.
어마어마합니다.
가장무거운 원소인 우라늄을 이용한 우라늄탄이나 플루토늄탄은 핵분열 원리를 사용하는 것이고 수소폭탄은 핵융합 원리를 이용하는 것인데 수소동위원소인 이중수소와 삼중수소를 융합시켜 폭발에너지를 얻는 기술입니다.
이중수소는 양성자 1개에 중성자 1개로 이루어져 있고 삼중수소는 양성자 1개에 중성자 2개로 이루어져 있는데 이것들이 고온고압의 플라즈마 상태에서 융합하면 양성자 2개 중성자 2개의 헬륨으로 변하는데 이때 약간 질량이 줄어들면서 줄어든 질량만큼 에너지를 발생 시키는데 아인시타인의 특수상대성 원리 공식인 E=mc2의 원리가 그것입니다.
우라늄탄도 마찬가지로 우라늄에 중성자를 쏘아주면 둘로 나누어지는데 나누어진 둘의 무게가 원래무게보다 약간 줄어들면서 그 줄어든 질량만큼 에너지로 전환되기 때문입니다.
그런데 수소가 핵융합을 하려면 고온고압의 플라즈마 상태를 만들어야 하는데 지구에서는 약 1억도의 온도가 필요하기 때문에(태양내부에서는 고압으로 인해 1500만도에서 융합) 이 온도와 고압을 만들기 위해서 우라늄탄을 1차 폭발시켜서 온도와 압력을 높여서 수소를 핵융합 시키는 방법으로 수소탄을 만드는 것인데 이때 핵융합시에 고속의 중성자가 발생하기 때문에 고속중성자에 분열하는 자연상태의 우라늄238을 수소원료 외부에 덧 씨워서 폭발력을 더욱 배가 시키는 방법을 사용하기도 합니다.
따라서 수소탄은 우라늄핵분열탄과 수소핵융합탄이 복합된 형태가 되는 것이고 핵융합시 아주 많은 양의 중성자가 발생해서 핵분열이 많이 이루어지도록 설계되었습니다.
사실 히로시마에 떨어진 리틀보이는 불과 2%정도밖에 핵분열을 하지 않았다고 하니 수소탄이 우라늄탄보다 최소 100배에서 수천배 폭발력이 강하다는 이유가 설명이 되는것이지요.
원래 핵융합시에는 방사능이 발생하지 않는데 문제는 수소탄이 핵분열탄을 같이 사용하기 때문에 수소탄 역시 방사능의 위험이 똑같이 존재합니다.
수소를 이용한 핵융합 원리를 이용한 핵융합 발전을 한다면 인류의 에너지 문제는 거의 해결이 되는 셈인데 앞으로 20~30년 정도면 상업발전이 가능할 걸로 보고 있으며 우리나라도 핵융합 기술이 꽤나 높은 편입니다.
대덕연구단지에 KSTAR(한국의 별이라고 해야 하나요?)라는 토카막 방식의 핵융합로가2007년인가 완성되어 현재 계속 실험가동중에 있지요.
토카막 방식 핵융합로란 옛 소련의 사하로프 박사가 제안한 방식인데 핵융합이 이루어지는 1억도의 온도를 보관할수 있는 지구의 물질이 없기 때문에 자기장을 이용하여 용기 안에 떠있게 하는 방식으로 가두는 장치입니다.
그런데 자기장을 만들려면 전도체에 전류를 흘려야 하는데 일반코일을 사용하면 전압으로 인해 열이 발생해서 오래 가동할 수가 없기 때문에 -270도 가량의 초전도체 상태로 만들어 자기장을 만들면 전압이 제로상태이기 때문에 열이 발생하지 않고 오래 가동 시킬 수가 있게 됩니다.
우리나라는 토카막 용기와 초전도 코일등 기술이 뛰어나다고 하네요.
토카막 안에서 플라즈마 상태를 300초 정도 만들고 보관할수 있으면 계속적인 발전을 할수 있는 상태라고 보는데 현재 약 20초동안 플라즈마 상태를 만든 것으로 알고 있습니다.
대단히 빠른 속도로 기술진전이 이루어지고 있는 셈입니다.
현재 세계 7개국(한국,미국,중국,일본,러시아,인도,EU)이 합동으로 참가해서 프랑스 남부의 카다라쉬라는 지역에 우리나라 핵융합장치의 20배 규모로 ITER라는 핵융합장치를 설치중에 있는데 2040~2050년쯤부터 기술개발이 완료된다고 들었는데 최근 2030년도부터 상업발전을 하기로 합의를 보았다는 뉴스를 듣고 꽤나 놀란 기억이 있습니다.
혹시 우리의 실험 속도가 좋아서 그렇게 일정이 당겨지는 것은 아닌지 모르겠습니다.
그때쯤에는 우리도 대규모의 핵융합발전소가 들어서겠지요.
핵융합 발전은 태양이 에너지를 발생시키는 원리와 같은데 그 장점은 위해한 방사능이 발생하지 않고 연료가 바닷물에 무한정 존재한다는 것입니다.
바닷물 1리터에는 약 0.03그램의 중수소가 포함되어 있고 중수소 1그램이면 석유 8톤과 같은 에너지를 발생시킬수 있다고 하니 바닷물 33리터면 석유 8톤을 대체할수 있다는 계산이니 그때쯤이면 석유등 에너지자원으로 인한 전쟁은 사라질 것 같습니다.
그리고 그때 쯤이면 모든 자동차는 전기자동차로 바뀌게 될 것이고 대부분의 기계도 전기를 에너지로 하는 방식으로 바뀔 것 같습니다.
그때까지 살아남아 그 모습들은 보고 싶네요.
2007년인가 KSTAR가 완공되었을때 노무현대통령이 완전 상기된 모습으로 기뻐하는 모습을 보고 저도 흥분이 되었었는데 나중에 이명박이 핵융합연구소의 예산을 깍았다는 소식을 어디선가 듣고 열통이 터졌던 기억이 있습니다.
4대강 사업을 3대강 사업으로 줄이기만 했어도 정부가 우리 과학자들에게 얼마던지 지원을 할 수가 있었을텐데 말입니다.
북한의 핵위협이 존재하는 상황에서 가장 피해를 볼 수 있는 나라는 바로 우리 자신입니다.
부디 대화를 통해 남북의 긴장관계를 완화 시켜 우리들 주도로 미국 중국 등 주변국들에 끌려 다니지 않고 우리의 외교협상력을 높이는 방향으로 나아갔으면 좋겠습니다.
