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핵물리학의 연구성과는 우라늄 핵분열 연쇄반응으로 이어지면서 원자폭탄을 등장시켰다. 이에그치지 않고 핵융합을 이용한 수소폭탄, 인명 살상용으로만 쓰이는 중성자탄 등이 개발된다.

핵에너지의 비극은 살상용 무기로 출발했다는데 있다. 핵무기의 연료로 쓰이는 플루토늄을 생산하던 시카고파일 원자로는 42년에 만들어졌지만 에너지를 생산하는 발전용 원자로는 12년이 지난 후에야 등장했다. 핵잠수함 노틸러스호에 실렸던 가압경수로가 최초의 발전용 원자로였다.

1945년 히로시마에 떨어졌던 원자폭탄의 우라늄235 양은 60㎏. 이 가운데 실제로 핵 분열한 것은 7백g에 불과했지만 파괴력은 TNT 1만t이 폭발한 것보다 더 위력적이었다. 그러나 이 정도의 파괴력은 오늘날의 핵무기에 비하면 보잘것 없는 것. 히로시마 원폭의 1백배가 넘는 핵탄두가 즐비하다 .

핵무기와 원자로는 기본원리가 같다. 우라늄이나 플루토늄의 원자핵은 중성자와 충돌하면 두개의 핵으로 분열하면서 평균 2.45개의 중성자를 내놓는다. 동시에 2억4천만 전자볼트 (leV는 1.6×${10}^{-19}$J)의 에너지가 창출된다. 새로 생성된 중성자는 또다른 원자핵을 분열시키는데 참여하게 된다. 이렇게 됨으로써 확대재생산되는 우라늄 연쇄반응이 이루어지는 것이다. 간단히 이야기하면 생성되는 중성자의 속도를 적절히 조절해가면서 핵분열을 일으키는 것이 원자력발전이고, 제어되지 않은 상태에서 연쇄반응이 일어나도록 하는 것이 핵무기다. 그러나 우라늄이나 플루토늄의 모든 동위원소가 핵분열을 일으키지는 않는다. 자연상태로 존재하는 우라늄의 99.3%는 중성자를 흡수해도 핵분열이 일어나지 않는 우라늄238이며, 나머지 0.7%만이 핵분열을 일으킬 수 있는 우라늄235다. 우라늄238은 중성자 하나를 흡수해 플루토늄239로 변환될 수는 있다.
 

플루토늄239가 핵심 원료

우라늄235도 자연 상태로는 농축도가 낮아서(0.7%) 원자핵분열이 확대재생산되지 않는다. 중성자가 외부로 누출되는 경우도 많고 우라늄238에 흡수돼버리기 때문이다. 핵분열을 계속시키려면 농축도를 높여야 하는데 핵폭탄의 경우 농축도가 95% 이상 돼야 한다. 원자로의 경우는 대개 3% 농축도를 가지는 우라늄235를 사용한다. 단 캔두형 원자로는 자연 상태의 우라늄235롤 그대로 사용한다.

1945년8월 일본 히로시마와 나가사키에 떨어진 핵폭탄은 종류가 다르다. 히로시마에 떨어진 것은 우라늄235를 원료로 사용한 것이고 나가사키에 떨어진 것은 플루토늄239가 원료로 사용된 것이다. 플루토늄239는 자연상태에서 존재하지 않는다. 앞에서도 밝혔지만 우라늄238에 중성자 하나를 더해주어야 한다.

그렇다면 플루토늄239는 어디서 얻어지는가. 원자력발전을 하고 나서 생기는 사용후 핵연료에서 얻어진다. 타다 남은 우라늄 찌꺼기 에서 플루토늄을 빼내는 일을 핵재처리라 한다. 또 플루토늄239를 생산할 목적으로 건설된 증식로에서도 얻어진다. 여기서도 우라늄 235를 태우고 그 찌꺼기에서 플루토늄을 빼내는 것이다. 최초의 원자로 시카고파일이 이러한 예다. 북한의 제2,3원자로도 플루토늄을 생산할 목적으로 건설된 것으로 추정된다.

핵무기의 원료로 우라늄235보다 플루토늄239가 더 각광받는 것은 플루토늄239가 우라늄235보다 한번 분열당 생성되는 중성자수가 많아서 적은 양으로도 핵분열 연쇄반응을 일으킬 수 있기 때문이다. 핵분열 연쇄반응이 일어날 수 있는 최소 질량을 임계질량이라고 한다. 임계질량은 우라늄235가 20-25㎏, 플루토늄239가 7-8㎏ 이다.

발전용 원자로에서는 중성자의 속도를 적절히 조절함으로써 출력이 급격히 상승하는 것을 막는다. 우선 중성자의 외부누출을 최대로 억제하면서 핵분열시 생성된 고속중성자를 아주 느린 열중성자로 감속시킨다. 그래야만 핵분열의 확대재생산이 가능해진다.

핵연료 주위에는 물이 순환하면서 감속재 노릇을 한다. 중성자와 무게가 비슷한 수소원자핵과 중성자를 충돌시킴으로써 감속이 이뤄진다. 또 중성자 흡수재(보론 등)를 설치해 출력을 조절하는 것이다. 이를 제어봉이라고 부른다. 핵폭탄에는 이러한 기능이 없다.

원자로보다 핵폭탄의 구조는 매우 간단하다. 농축우라늄이나 플루토늄을 임계질량 이하로 분리해놓았다가 폭약을 터뜨려 순간적으로 분리된 핵연료를 충돌시키면 곧바로 임계질량을 넘어서 핵분열 연쇄반응이 기하급수적으로 확대된다.
 

핵융합을 이용한 수소폭탄

지금까지는 원자핵이 분열하여 질량이 줄어드는 만큼의 에너지가 외부로 방출되는 핵분열을 이용한 원자 폭탄에 대해 알아보았지만, 핵폭탄에는 그 반대의 원리를 이용한 수소 폭탄도 있다. 반대의 원리란 두개의 원자핵이 서로 융합하면서 새로운 원자핵을 만들면서 질량결손분 만큼의 에너지가 외부로 방출되는 것을 말한다.

수소폭탄은 말 그대로 중수소나 삼중수소를 핵융합시켜 무거운 원소로 만드는 과정에서 발생하는 막대한 에너지를 폭탄화하는 것이다. 1952년 미국은 마샬군도에서 첫 수소폭탄 실험을 성공시켰다. 이는 습식수소폭탄으로 액체 중수소와 삼중수소를 고온에서 융합한 것. 초보적인 폭발장치라고 할 수 있다.

그러나 이듬해 옛소련에서 등장한 건식수소폭탄은 본격적인 핵융합폭탄이라고 할 수 있다. 중수소화리튬을 핵융합 재료로 사용한 이 폭탄은 이후 수소폭탄의 기본 원리로 인정 받았다. 이에 미국은 3F라고 부르는 14메가t급의 거대 수소폭탄을 만들었다. 이는 3중폭발이 일어나는 폭탄으로, 먼저 안쪽에서 원자 폭탄이 터져 방아쇠를 당기면 그 외각에서 중수소화리튬이 핵융합을 일으키고 곧바로 최외각에서는 우라늄이 핵분열을 일으킨다.

수소폭탄은 원자폭탄보다 폭발력이 클뿐더러 방사선양이 많다는 특징이 있다. 원자폭탄이 폭발하면 전체 에너지의 5% 정도가 초기방사선으로 변하지만, 수소폭탄은 전체 에너지의 반 정도가 초기방사선으로 변한다. 인간이 만들어낸 최악의 살상무기인 셈이다.

이외에도 건물이나 시설은 파괴하지 않고 인명살상용으로만 쓰이는 중성자폭탄이라는 것이 있다. 중성자폭탄은 물리적인 파괴력은 없으나 핵분열시 발생하는 중성자를 이용해 방사선만으로 생물체만을 살상하는 무기. 또 플루토늄보다 무거운 핵원료를 사용하는 초플루토늄폭탄이 있다.