[철심장]핵폭탄제조법3-임계질량과기폭원리 본격소개(민핵위자료) 철심장의 과학교실-물리학,수학~



안녕하십니까?철심장입니다....

민간핵무기개발추진위원회 (http://cafe.naver.com/nuclearmaker)공식까페에 올려진 임계질량괴 기폭원리에 관한세부내용입니다..
몇몇 부분은 용량상 중략하였으니 자세한 것은 민핵위 자료를 참고하십시요..

다가오는 광복절을 맞이하여 민핵위에 대한 많은 관심과 애국적 참여를 바랍니다...

자~ 그러면 핵무기설계에 있어서 가장 중요한 임계질량과 기폭원리에 대한 세부소개입니다..... 


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임계질량이란 우라늄235이나 플루토늄239가 자연적(혹은 인위적)으로 핵폭발(연쇄핵분열)을 일으키는 최소질량을 말합니다.

그 이하의 질량에서는 핵원료는 대기중에 놔두어도 핵폭발을 일으키지 않습니다.


핵분열시의 핵 연쇄 반응은 핵분열물질의 크기, 모양, 순도, 및 주변의 물질에 좌우되는데 만약 핵분열이 자연적으로 시작,지속할 수 있을 때, 이를 임계질량이라고 합니다. 질량이 임계 질량인지 아닌지를 나타내는 수치인 유효 중성자 곱인자 k는 다음과 같이 나타냅니다.

k = f l

여기서 f는 매 핵분열 반응시 방출되는 중성자의 평균 개수이며, l은 전체 계를 떠나거나 혹은 핵분열 외의 물질에 사로잡혀 사라지는 중성자의 평균 개수. k1일 경우 임계(critical)라고 하며, 1보다 작으면 아임계(-, subcritical), 1보다 클 경우 초임계(-, supercritical)이라고 합니다.

핵분열 폭탄은 핵연료의 아임계 질량을 초임계 질량 이상으로 급격하게 바꿈으로서 작동하게 됩니다. 폭발은 약간의 초임계로는 일어나지 않고 약간의 아임계(k=0.9)로부터 높은 초임계(k=2 3)로 갑작스럽게 변하도록 해야 합니다.

이런 질량의 증가를 위해 1개의 핵연료 덩어리를 압축기키거나(내폭형) 두 개 덩어리이상을 합체시키는 방법(포신형)을 사용합니다.

효율적인 폭탄을 만들 때 가장 중요한 것은 충분한 양의 에너지가 방출되도록 오랫동안 핵원료가 흩어지지 않도록 모아주는 것입니다.


폭발 이전의 핵무기는 하나 혹은 두 개의 아임계 질량의 핵연료 덩어리로 되있습니다. 하나의 아임계 덩어리를 지니는 핵폭탄(내폭형)은 압축 과정을 통해 초임계 상태가 되도록 하는 것이고, 두 개의 아임계 덩어리를 지니는 폭탄(포신형)은 이론적으로는 두개의 아임계로 나눠진 핵연료 덩어리를 합쳐지게 해서 폭발을 유도하는 원리지만 실제 두 개의 덩어리를 사용하는 핵폭탄에는 두 개의 아임계 물질 중 하나는 질량이 적어서 아임계 상태, 다른 하나는 부적절한 모양 때문에 아임계 상태로 하지만 두 물질이 합쳐지면, 예로 첫 번째 물질이 두 번째 물질의 구멍에 들어가서 완전한 형태의 초임계 상태가 되면 폭발하는 원리를 채택합니다....

(간혹 저출력의 핵무기의 경우 두 번째 물질 역시 질량이 작은 아임계 상태인 경우도 있습니다.)

 

효율적인 폭발을 위해, 핵연료는 매우 빠른 속도로 최적의 초임계 상태가 되야 합니다. 즉 너무 일찍 연쇄 반응이 시작해서는 안되고-이럴 경우 물질은 연쇄 반응에 의해 가열,팽창되어 최적상태에서 멀어지게 됩니다. 매우 적은 물질만이 핵분열에 사용되기에 효율성 역시 크게 떨어집니다.

그래서 연쇄 반응을 적절한 순간에 빠르게 시작하기 위해 중성자 방아쇠라는 것이 사용됩니다.

 

핵분열 무기를 설계하고 제조하는 데 있어서 기술적인 문제의 대부분은 바로 이렇게 초임계 질량을 만드는 시간을 최소한으로 하는 것이며, 폭발전에 발생하는 중성자의 수를 최소한으로 유지하는 것입니다.

핵분열 무기에 적절한 동위원소는 높은 확률로 핵분열을 일으키면서, 핵분열 과정에서 많은 수의 중성자를 생성하며, 또한 핵분열과 무관하게 중성자를 흡수하지 말아야 하고, 마지막으로 낮은 자발 핵분열 비율을 지니고 있어야 합니다.

위의 조건을 동시에 만족하는 주요한 동위원소는??

바로 우라늄-235, 플루토늄-239, 우라늄-233입니다..

한개의 핵폭탄을 만드는데 우라늄은 최소 15kg,플루토늄은 4~5kg의 핵원료가 필요하다고 이미 소개했으며 이 양이 최소의 초임계질량이 됩니다. 물론 이때 반사재의 필요성이 중요함은 이미 소개했습니다. 반사재를 사용할 경우 플루토늄은 최소 4~5kg만 있어도 핵폭탄 제조가 가능합니다...

반사재가 있는 경우와 없는 경우의 각 원료의 임계질량은 다음과 같습니다.(매우 중요)  




 

U-235

Pu-239

반사재가 없는 구

56kg

11kg

두꺼운 반사재

15kg

5kg


 핵폭탄은 임계질량 때문에 일반폭탄처럼 화약의 양을 50kg,100kg,500kg처럼 핵원료를 늘려간다해서 위력을 높일수가 없습니다.(또 핵원료를 두배,세배 늘린다고 해도 위력이 같이 늘어나지도 않습니다.)

핵폭탄 위력은 임계질량하의 핵분열효율에 의해 위력이 결정됩니다.히로시마에 투하된 핵폭탄 리틀보이는 핵분열효율이 약1,8%였는데(2%로가정하고 계산)핵위력은 17kt이 였습니다.만약100% 핵효율을 보였다면 17X50=850kt이됩니다.(이론상 임계질량내 최대 핵출력은 500kt 정도입니다./플루토늄기준) 이처럼 핵무기 한개는 10kt도 될수있고 100kt도 될수 있습니다.


또한 핵무기 원료의 임계질량은 임계직경과도 밀접합니다.

우라늄 핵폭탄은 임계질량에 의존하지만 플루토늄 핵폭탄은 임계직경에 의존합니다.

플루토늄239의 임계질량은 4~8kg정도인데 기폭기술 여부에 이는 달라집니다. 기폭하면 미임계 플루토늄239가 압축을 당하는데 즉 각 원자간의 거리가 강제적으로 가깝게 되고 자발중성자에 의해 핵분열이 일어나 곧 초임계질량 상태가 되는데 압축율이 높을수록 핵효율이 좋아집니다. 따라서 임계질량은 임계직경에 의해 결정되는 것을 알 수 있습니다.

(우라늄235은 압축하면 완전 압축전 조기 핵분열이 일어나서 내폭형에는 적당하지 않습니다-압축에 의한 핵출력 증가는 기대하기 힘듭니다./ 따라서 임계질량에만 의존)


다음으로는 핵무기는 이렇게 핵원료를 합치는 방법(형태)에 따라, 포신형과 내폭형으로 나뉩니다.

포신형은 우라늄탄에, 내폭형은 플루토늄탄에 사용합니다.


임계 질량 이상을 달성하는 방법에는 두 가지가 있다고 했습니다.하나의 방법은 두 개의 임계 질량 이하의 물질을 하나로 결합하는 것(포신형)이며, 또 하나는 임계 질량 이하의 물질을 임계 질량에 이르도록 압축하는 것(내폭형)입니다.


포신형

포신형 초임계 결합

초임계 질량을 달성하는 가장 쉬운 방법은 핵분열성 물질을 두 부분으로 구성하여, 하나를 다른 하나에 대고 총처럼 쏘는 것이다. 이러한 방식을 포신형(砲身型, gun type)이라고 하며, 히로시마에 떨어진 리틀 보이가 포신형 핵폭탄이였습니다.

두 물질을 합치는 데 상대적으로 긴 시간이 걸려서, 이러한 방식은 단지 우라늄-235에만 사용됩니다.


리틀 보이는 80%의 순도의 U-235 60 kg(즉 48 kg의 U-235)을 지니고 있었지만, 최소 임계 질량은 약 20-25 kg이며, 이는 내폭형 핵폭탄의 임계 질량인 15 kg에 비해서 많은 양입니다.


기술이 발전한 후로는 포신형 핵폭탄을 더이상 사용하지 않습니다. 하지만 세계적으로 핵 개발을 원하는 국가나 테러리스트 등에 있어서는 복잡한 공학 기술이나 제조 기술을 요구하지 않는 상대적으로 간단한 포신형이 매우 중요합니다.(따라서 본 민핵위에서도 1차적으로는 포신형 핵폭탄 개발을 목표로 하고 있습니다.)


충분히 농축된 우라늄만 있다면, 상대적으로 기술 수준이 낮은 국가나 단체도 비록 비효율적이지만 여전히 강한 포신형 핵폭탄을 제조할 수 있습니다. 리틀 보이를 제작한 과학자들은 성공 가능성을 너무 신뢰해서 전쟁에서 사용하기 전에 핵실험조차 거치지도 않았습니다.--;

내폭형

내폭형 핵무기의 개요


포신형보다 어렵지만, 많은 면에서 우수한 결합 방식이 바로 내폭형(內爆型, implosion type)입니다. 내폭형은 아임계 질량을 지닌 핵분열성 물질 주변을 통상 폭탄으로 둘러 싸고는 안쪽을 향해 폭발시킴으로써 핵분열성 물질을 매우 빠르게 압축시켜서 초임계 상태로 만드는 형태죠. 보통 부피를 2내지 3분의 1로 압축시킵니다.

플루토늄-239로 이루어진 폭탄의 경우, 필연적인 불순물인 플루토늄-240의 높은 자발 핵분열 비율로 인해 핵폭발 이전에 핵분열이 일어날 가능성이 높다.

핵 연쇄 반응이 적당한 시간에 빨리 시작하기 위해서는 중성자 방아쇠가 사용됩니다.

또한 두개의 핵물질이 임계질량을 넘지기 못하더라도, 두 물질이 부딪치는 속도를 높히면 폭발이 일어납니다. 여기서 그 유명한 아인슈타인의 특수상대성이론의 에너지공식E=MC^2(제곱) 이 나옵니다.

  

에너지=질량x광속의 제곱(속도)

이 공식은 바로 내폭형의 원리가 됩니다


플루토늄을 중앙에 놓고, 바깥 주위에서 폭약 등을 폭발시켜, 폭발력을 안쪽으로 집중시킵니다. 이때 폭발력에 따라, 안쪽에 놓인 플루토늄이 압축됩니다. 그때 압축시키는 힘에 의해 임계질량을 넘기게 되고 그러면, "~" 폭발하게 됩니다....

이것이 내폭형-플루토늄 폭탄의 원리입니다.

이제 핵폭탄에서 임계질량이 무엇이며 어떻게 사용되는지 이해하셨을 것입니다....


다음으로는 본격적으로 아임계질량의 핵연료를 어떻게 핵무기속에 탑재하는지 포신형설계와 내폭형설계로 나누어 자세하게 소개할 것입니다. 다만 다음자료는 핵폭탄설계연구 게시판에 정회원에게만 공개되는 비공개자료로 올려질 것입니다....                            I’ll be back...... 



조국이 당신을 부르고 있습니다......         

from  민간핵무기개발추진위원회   http://cafe.naver.com/nuclearmaker

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^.^철타곤의 철   심   장


덧글

  • ChristopherK 2015/08/12 19:01 # 답글

    그래서 pusher shell은 어디에?
  • ㅉㅉ 2015/08/16 21:28 # 삭제 답글

    민간핵무기라니ㅋㅋ IS가 한 수 배워야겠네ㅋㅋㅋㅋ
  • 블랙 2016/04/21 21:41 # 삭제 답글

    . 감사합니다
    민간핵무깈ㅋ
    위에 있는 ㅉㅉ님 처럼 IS가 한 수 배워야 겟음 ㅋㅋㅋㅋ
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