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원자폭탄과 수소폭탄의 차이는 핵분열과 핵융합의 원리 차이 본문

유용한 지식 칼럼

원자폭탄과 수소폭탄의 차이는 핵분열과 핵융합의 원리 차이

키스 키스세븐 2015. 12. 17. 14:19
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[원자폭탄과 수소폭탄의 차이는 핵분열과 핵융합의 원리 차이] 




인류에게는 재앙이 되어 버린 인류의 죄악이 있습니다. 20세기 중반에 개발된 원자폭탄과 수소폭탄입니다. 

원자폭탄은 핵분열을 이용한 폭탄이고, 수소폭탄은 핵융합을 이용한 폭탄입니다. 핵분열은 원자가 쪼개지면서 생기는 원리이며 핵융합은 반대로 원자가 합쳐지면서 생기는 원리입니다. 

에너지보존의 법칙에 의해 원자가 쪼개지든 결합하든 에너지는 일정해야 하지만, 실제로는 분열과 결합 후 질량이 달라지게 됩니다. 이때 남은 에너지가 방출되는데, 이것을 강력한 폭발에 적용시키는 것이 원자폭탄과 수소폭탄입니다. 






핵분열과 핵융합의 차이가 원자폭탄과 수소폭탄의 차이 


먼저 기본적인 학교 화학과정을 통해 원자폭탄과 수소폭탄의 차이를 이해해 보려고 합니다. 

우주의 모든 물질은 원자들이 모여서 만들어져 있습니다. 원자는 중성자와 양성자가 핵이 되어 단단히 붙어 있고 그 주위를 전자가 돕니다. 원자핵과 전자는 지구와 인공위성같이 일정한 인력이 작용하고, +극성의 양성자가 있는 원자핵과 -극성이 있는 전자는 자석처럼 잘 붙어 다닙니다. 

-극성의 전자는 다른 원자핵의 +극성에 이끌려서 탈출하여 돌아다니기도 하지만, 원자핵의 양성자와 중성자는 다른 원자핵의 +와 서로 밀어내기 때문에 인공적으로 분열시키거나 결합시키기가 쉬운 것은 아닙니다. 



원자는 매우 작지만 원자끼리도 충돌을 하곤 합니다. 일반적으로 원자끼리는 일정한 거리를 가지지만 속도나 온도 등의 외부 영향에 의해 변수가 생기기도 하는 것입니다. 

이것을 인공적으로 만들어 내는 것이 열핵폭탄입니다. 보통 핵분열을 위해서는 중성자를 쏘아서 원자핵을 깨트립니다. 그리고 핵융합을 위해서는 높은 온도를 만들어서 원자끼리 충돌하여 합체하게 만듭니다. 

작은 것이 빠르게 충돌하면 큰 것이 박살나고, 큰 것끼리 충돌하면 깨지면서 합체하는 원리입니다. 찰흙으로 만든 공에 총알을 쏘면 산산조각나지만, 두개의 찰흙공을 부딪히게 하면 하나의 찰흙 덩어리가 되는 것처럼 말입니다. 

결국 원자폭탄과 수소폭탄의 차이는 핵분열이냐 핵융합이냐의 차이입니다. 



핵발전소는 이러한 원자의 분열이나 융합을 조절하여 장기간 조금씩 에너지가 생기도록 하는 시설입니다. 

우라늄이나 플루토늄을 이용한 핵발전소도 있고 중수소나 삼중수소를 이용한 핵발전소도 있습니다. 이때 우라늄, 플루토늄을 이용한 핵발전소는 핵분열을 이용한 발전소이고, 중수소, 삼중수소를 이용한 핵발전소는 핵융합을 이용한 발전소입니다. 






핵분열을 이용한 원자폭탄의 원리 


원자 종류에 따라 매우 단단히 붙는 것이 있고 덜 단단히 결합된 것도 있습니다. 

그 중에서 우라늄이나 플루토늄은 원자 내의 중성자와 양성자를 쪼개지게 하기가 다른 원자들에 비해 상대적으로 쉽습니다. 

이때 우라늄, 플루토늄의 원자핵에 중성자를 쏘면 충돌로 인해 핵이 쪼개집니다. 이것을 핵분열이라고 하며, 원자폭탄은 핵분열을 이용한 것입니다. 



아무런 외부영향이 없는 방에 수백 개의 쥐덫을 놓고 그 위에 탁구공들을 모두 올려놨다고 칩시다. 이렇게 설치를 한 후, 한 개의 탁구공을 방안으로 아무렇게나 던진다고 상상해 봅시다. 탁구공이 쥐덫을 건드리면 쥐덫은 덥석 물을 것이고, 그러면 쥐덫 위의 탁구공은 튕겨 나가서 다른 쥐덫 위에 떨어질 것입니다. 이렇게 연쇄반응이 일어나면 순식간에 방 안이 난리가 나게 됩니다. 핵분열은 이런 원리를 이용하는 것입니다. 


그런데, 아주 작은 물질 속에도 원자는 셀 수 없을 만큼 많이 들어 있습니다. 그리고 원자가 깨질 때 원자가 가진 에너지의 일부분은 빛이나 열로 바뀌어 튀어나오게 됩니다. 

비록 아주 작은 원자이지만, 엄청나게 셀 수 없이 많은 연쇄반응으로, 그것도 순식간에 빛과 열로 튀어나온다면 그것은 폭발이라고 불러야 하는 존재가 됩니다. 아인슈타인의 "E=MC제곱"에 의하면 이때 발생하는 에너지는 질량에 광속의 제곱을 곱한 것과 같습니다. 광속은 약 30만km입니다. 



이러한 원자폭탄의 원리에 의해 폭발이 일어나면 제대로 쪼개지지 못한 원자들이 방사능을 내 뿜으며 2차 피해를 주게 됩니다. 방사능은 반감기라는 것이 있어서 제대로 쪼개지지 못한 원자들의 방사능이 절반 수준으로 될 때까지, 원자 종류에 따라 몇 년에서 몇 억년이 걸리기도 합니다. 

그러나 풍화작용, 대류 등의 영향으로 이 기간은 차이가 나기도 하며, 70년 전에 상공 700m에서 원자폭탄이 터진 히로시마는 지금 인구 110만 이상의 도시로 거듭났으며 방사능 수치도 안정권이라고 합니다. (mSv 연간 한도치가 병원 CT촬영의 1/10 수준)






핵융합을 이용한 수소폭탄의 원리 


원자폭탄이 원자의 핵이 쪼개지는 원리를 이용한 것이라면, 수소폭탄은 핵이 합쳐지는 원리를 이용한 것입니다. 원자폭탄은 핵이 쪼개지면서 다량의 방사능이 남게 되지만, 수소폭탄의 원리만 놓고 보면 핵융합은 방사능이 발생하지 않습니다. 그래서 어떤 이들은 원자폭탄을 더러운 폭탄, 수소폭탄을 깨끗한 폭탄이라고도 부릅니다. 

수소의 원자구조가 단순해서 중수소나 삼중수소 등 수소를 사용하는데, 태양도 수소를 이용해서 활활 타오르고 있는 중입니다. 



기본적으로 원자들은 척력이 있습니다. 원자끼리는 서로 밀어내는 힘이 강하기 때문에 나름의 공간을 확보하고 있습니다. 그래서 자연적으로 핵이 융합되지는 않습니다. 단, 태양처럼 매우 고온이라면 얘기가 다릅니다. 

핵을 융합하는 기술은 핵을 쪼개는 기술보다 어렵습니다. 온도를 엄청나게 올려야 하기 때문입니다. 그래서 수소폭탄에는 작은 원자폭탄이 설치됩니다. 원자폭탄의 폭발 때 생기는 높은 열을 이용하는 것입니다. 

수소폭탄은 원래 방사능이 없어서 깨끗한 폭탄이라고 하지만, 결국은 원자폭탄 때문에 방사능이 생기게 됩니다. 


이렇게 고온이 필요한 이유는 에너지가 물질의 운동에 영향을 주기 때문입니다. 물을 끓여서 에너지를 공급하면 물 분자의 운동이 활발해져서, 분자 간의 인력을 이기고 수증기가 되는 것처럼 원자들도 매우 고온에 놓이면 빠른 운동을 합니다. 

원자가 고속으로 움직이면 척력을 이기고 원자 간의 충돌이 일어나고, 그 힘으로 원자끼리 결합이 일어납니다. 이때 방출되는 에너지가 폭발력으로 생기는 것입니다. 



하지만 원자끼리 충돌이 일어날 정도의 에너지를 공급하려면 적어도 6000만도 이상의 온도가 필요합니다. 우주에서 수소융합이 태양 같은 곳에서만 일어나는 이유가 그것 때문입니다. 

그래서 수소폭탄에도 원자폭탄이 이용되게 됩니다. 

물론 기술이 발달하면서 순수핵융합 수소폭탄도 만들 수 있게 되었지만, 폭발의 힘이 너무 미약하여 폭탄으로 사용하기엔 아직 이릅니다. 

[저작권법 표시] 이 글의 원본: 키스세븐(www.kiss7.kr)

그러나 모든 원자에 적용할 수는 없어서 융합에 유리한 수소원자를 가지고 만들었기 때문에 수소폭탄이라고 합니다. 원자력 발전소가 있듯이 수소를 이용한 핵융합 발전소도 있습니다. 



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