핵폭탄의 종류; 핵분열폭탄, 핵융합폭탄, 열핵폭탄, 수소폭탄, 중성자폭탄, 방사능폭탄, 반물질 폭탄

핵무기(Nuclear weapon)란 핵을 사용한 폭탄이라 핵폭탄이라 부르기도 하며 일부에서는 원자폭탄(Atom Bombs)으로 부르기도 한다. 핵무기 또는 핵폭탄은 핵 반응으로 생기는 폭발력을 이용하는 폭탄으로 소량으로도 엄청난 양을 에너지를 방출한다. 무게가 1,100 kg정도인 열핵폭탄은 1.2 Mt의 폭발위력(에너지량은 5.0 PJ)을 낼 수 있다. 일반적인 폭탄보다 크기가 작은 핵폭탄이라도 폭발, 화재 및 방사선으로 도시 전체를 파괴할 수 있다.
핵무기는 핵 반응의 종류에 따라 크게 두가지로 구분할 수 있는데 핵의 분열반응(fission)을 이용한 핵분열폭탄(Nuclear fission Bomb)과 핵분열반응과 핵융합반응(fussion)을 조합한 열핵폭탄(Thermonuclear Bomb)이 있다.

 

<핵분열폭탄(Nuclear fission Bomb)>
현존하는 모든 핵폭탄의 폭발력 등의 에너지는 모두 핵분열 반응에서 나오는 것이다. 원자폭탄(Atom Bomb, Atomic Bomb) 또는 약어인 원자탄(Atom Bomb)으로 부르는 것은 폭발력이 원자에서 온 것이 아니라 핵에서 온 것이므로 엄밀한 의미에서 잘못된 것이다. 핵분열폭탄에서는 핵분열 물질인 농축 우라늄이나 플로토늄을 강제로 초임계상태(supercriticality)로 만들어 핵분열 연쇄반응이 기하급수적으로 성장할 수 있도록 해야 한다. 이때 Gun-type method(포신형 방법)는 고폭화약을 이용해서 준임계물질(sub-critical material)을 만들어 앞쪽으로 쏘아주는 방법을 사용하고, Implosion-type method(내폭형 방법)은  고폭화약으로 만든 폭발 렌즈를 사용하여 핵분열물질을 준임계구체(sub-critical sphere of material)를 원래 밀도의 몇배로 압축하는 방법을 사용한다. 내폭형 방법이 포신형 방법보다 더 정교한 방법이며 핵분열 물질로 플루토늄을 사용하면 내폭형 방법만 적용할 수 있다.

 

[핵분열 반응메커니즘에 따른 유형, 그림출처:위키피디아]

 

 
모든 핵폭탄 설계에서 주요 과제는 폭탄 자체가 파괴되기 전에 핵분열물질의 대부분을 소모시켜야 하는 것이다. 핵분열폭탄에서 방출되는 총 에너지량은 2.1 × 10^8 GJ이며 TNT 폭발력으로 환산한 값으로는 500kt에 이른다. 모든 핵분열 반응은 핵분열이 일어난 원자핵의 핵분열 생성물이 만들어지며 핵분열 생성물은 고준위의 방사능(수명은 짧음), 또는 중준위의 방사능(수명은 길다)이며, 매우 심각한 방사능 오염을 초래한다. 핵분열 생성물은 핵 낙진의 주요 방사능 요소를 구성한다.
핵폭탄 용도로 가장 많이 사용되는 핵분열 물질은 우라늄 235와 플루토늄 239이다. 그 다음으로 많이 사용되는 우라늄 233이다. 그리고  Neptunium-237이나 Americium의 일부 동위 원소도 핵폭발에 사용할 수 있지만 핵폭탄의 사용 타당성에 대해서는 논쟁이 있다.
한편, 나가사키급 20kt 기준의 핵무기 하나를 만드는데 플루토늄은 고급기술시 3 kg, 중급기술시 3.5 kg, 저급기술시 6 kg이 필요한 반면 고농축우라늄은 플루토늄의 경우보다 3~4배 많은 무게인 15~25kg이 요구되어 비효율적이다. 플루토늄 제조비용보다 우라늄 농축비용이 훨씬 비싸다.

 

<핵융합폭탄(Nuclear fussion Bom) 또는 열핵폭탄(Thermonuclear Bomb)>
핵융합폭탄은 핵융합 반응으로 에너지의 상당 부분이 만들어지는데 일반적으로 열핵폭탄으로 부르기도 하고 흔히 수소폭탄(Hydrogen Bomb), 줄여서 수소탄(H-Bomb)이라고 하기도 한다.  핵융합폭탄이 중수소나 삼중수소의 동위 원소 사이의 융합 반응에 의존하기 때문이다. 모든 핵융합폭탄은 핵융합 반응을 일으키기 위해 1차적으로 핵분열 반응에서 에너지를 얻고 다시 핵융합 반응은 2차적인 핵분열 반응을 일으킨다.
핵융합폭탄은 1차적으로 핵분열폭탄의 에너지를 사용하여 핵융합물질를 압축하고 가열함으로써 작동된다.  Teller-Ulam 설계에서 핵융합폭탄은 수  메가톤의 폭발위력을 나타내는데 이는 특수 방사능 반사 컨테이너 안에 핵분열폭탄과 핵융합연료물질(삼중수소, 중수소 또는 중수소화리튬)을 근접 배치한 형태이다. 핵분열폭탄이 기폭되면 먼저 방출된 감마선과 엑스선이 핵융합 연료를 압축하고 열핵온도까지 가열합니다. 계속되는 핵융합 반응은 엄청나게 많은 수의 고속 중성자를 만들어 내고, 핵분열물질이 쉽게 열화우라늄과 같은 것으로 되지 않게 한다. 이 구성 요소 각각은 "1차(Primary)"인 핵분열폭탄, "2차(Secondary)"인 핵융합 캡슐로 구성되어 전체적으로 "단계(Stage)"로 불린다. 거대한 메가톤 범위의 수소 폭탄의 경우, 약 절반의 위력이 최종 우라늄의 최종 분열단계에서 나온다. 실제로 오늘날 배치된 모든 핵융합폭탄(열핵폭탄)은 "2 단계"설계를 사용하지만 더 많은 양의 핵융합연료를 점화시키는 핵융합 단계를 추가하는 것이 가능합니다. 이 기술은 폭발력이 제한적인 핵분열 폭탄과는 달리 임의의 큰 폭발위력의 핵무기를 만드는 데 사용할 수 있다. 가장 큰 핵무기였던 50Mt(210 PJ)상당의 에너지를 방출한  소련의 차르 봄바(Tsar Bomba)는 3단계 핵융합폭탄이다. 대부분의 열핵폭탄은 실질적으로 미사일 탄두 공간과 무게가 제한되므로 이것보다 상당히 작은 크기이다.
핵융합 반응은 핵분열 생성물을 생성시키지 않기 때문에 핵분열 반응보다 핵 낙진의 생성이 훨씬 적지만 모든 열 핵무기는 적어도 하나의 핵분열 단계를 포함하고 대부분의 고 위력의 열핵폭탄은 최종적으로 핵분열 단계가 있기 때문에 핵분열폭탄 수준의 핵 낙진이 발생한다.
열핵폭탄은 미국, 러시아, 영국, 중국, 프랑스, ​​인도 등 6개국 만이 핵실험을 실시했다. 열핵폭탄은 핵분열폭탄보다 설계하고 제조하기가 훨씬 더 어렵다. 그렇지만 열핵폭탄이 효율이 훨씬 높기 때문에 대부분 열핵포탄을 사용하고 있다.
핵분열폭탄의 최초의 핵실험에서 20kt의 폭발위력을 보였고 에너지량으로는 84 TJ에 달했다. 열핵폭탄의 핵실험에서는 약 10Mt(TNT 2천만톤 폭발위력)의 위력과 42 PJ의 에너지를 방출했다.

 

[텔러-울램(Teller-Ulam) 디자인과 폭발메커니즘, 그림출처: 엔사이클로피디아 브리태니커]

 

<기타 다른 형태의 핵폭탄>
핵분열폭탄과 열핵폭탄(핵융합폭탄) 외에 다른 형태의 핵폭탄에는 증폭 핵분열폭탄(Boosted fission Bomb), 중성자폭탄(Neutron bomb), 방사능폭탄(Radiological Bomb, Salted Bomb), 반물질 폭탄(Antimatter weapon)이 있다.
증폭 핵분열폭탄은 소량의 핵융합 반응을 통해 폭발위력을 증가시킨 핵융합폭탄이 아닌 핵분열폭탄이다. 증폭된 핵분열폭탄에서 핵융합 반응으로 생성된 중성자는 주로 핵분열 폭탄의 효율을 증가시키는 역할을 한다. 증폭 핵분열 폭탄에는 중수소-삼중수소 혼합물이 폭탄 중심으로 주사되는 내부적 증폭과 핵분열폭탄 중심의 바깥쪽에 계면층이 만들어진 이중수소화리튬과 열화(감손) 우라늄의 동심 껍질로 외부적으로 증폭되는 두가지 유형이 있다.
일부 핵무기는 특수 목적으로 설계되었는데 중성자폭탄은 상대적으로 폭발위력이 작지만 중성자 방사량이 상대적으로 많은 열핵폭탄이다. 이 중성자폭탄은 이론적으로 대규모의 사상자를 발생시키는 데 사용될 수 있지만 인프라는 대부분 온전히 유지하고 낙진도 아주 소량만 생긴다. 모든 종류의 핵폭탄은 중성자 방사가 폭발적으로 일어난다. 코발트 또는 금과 같은 적절한 물질로 싸여진 핵폭탄은 무기를 둘러싼 것은 낙진강화핵폭탄(Salted Bomb)으로 부른다. 이 장치는 예외적으로 수명이 긴 방사능물질을 대량 방출하여 낙진오염을 최대화한다. 수십 년의 반감기를 가진 대량의 방사능을 바람이 전 세계로 배포할 성층권에 올리면 지구상의 모든 생명체를 소멸시킬 수 있으므로 이러한 핵폭탄은 "최후 심판의 무기(doomsday weapon)"역할을 할 수 있다고 추측하고 있다.
1962년의 Starfish Prime 고지 핵 실험에서 핵전자기펄스라고 하는 예상치 못한 결과를 얻었다. 이것은 핵폭탄의 감마선에 의해 생성되는 고 에너지의 전자비에 의해 생성된 전자기 에너지의 강렬한 플래시입니다. 이러한 에너지의 플래시는 충분히 보호되지 않은 전자 장비를 영구적으로 파괴할 수  있습니다. 이 효과를 사용하여 적의 군사 및 민간 기반 시설을 군사 작전에 사용할 수 없게 하는 것이 제안되었습니다. 그 효과는 높은 고도에서의 핵폭발로 생기기 때문에 넓은 지역, 심지어 대륙 단위의 지리적 영역에서 전자제품에 손상을 줄 수 있다.
반물질은 보통의 물질 입자와 비슷한 물성을 보이지만 반대전하를 가진 입자로 구성되어 있는데 이를 핵폭탄의 트리거 메커니즘으로 고려되었다. 주요 제한사항은 반물질을 대량으로 생산하는 것이 어렵고 군사용으로 사용할 수 있는 실용성이 입증되지 않았다. 그러나 미 공군은 냉전시 반물질의 물리학에 대한 연구에 자금을 지원했으며 핵폭탄의 트리거 뿐 아니라 그 자체를 폭발물로서 고려하기 시작했다. 4세대 핵폭탄 설계는 반물질-촉매 핵펄스추진과 같은 원리와 관련되어 있다.