수소폭탄 원리 (핵융합)

프롤로그

 요새 평화를 외친 평창올림픽도 성공적으로 마무리 된 마당에 (아직 패럴림픽은 남았지만서도) 수소폭탄의 원리에 대해서 포스팅을 하는 게 맞나 싶다.

 그래도 일단 만들어놨던 영상도 있고, 요새 글을 너무 안 쓴 것 같아서 감이 완전히 소멸되기 전에 슬쩍 글을 써보려 한다.

 수소폭탄 원리 동영상을 링크를 거는 고 짧은 와중에 그나마 지금 이 타이밍에 쓸 만한 이유를 하나 찾긴 했다.

 요새는 평화 분위기라 북쪽 그 양반이 핵도발을 하지는 않을 것 같지만 이번 달에 현대자동차가 야심차게 준비한 수소자동차 넥쏘가 나오기는 한다고 알고 있다.

 정식 명칭을 예전엔 수소 연료전지 자동차로 가져가다가 이번에 좀 불리기 쉽게 수소전기차로 가는 것 같던데 댓글 보면 가끔 가관들이 있어서 수소폭탄과 수소전기차의 원리에 대해서 명확히 나눠주고 싶은 마음에 수소전기차 영상을 하나 만들어야겠다는 생각을 하고 있었다가 일단 그건 아직까지 생각만 하고 있는 단계이고, 일단 수소폭탄과 수소전기차 중 하나는 확실히 알고 가자는 의미로 이 수소폭탄의 원리에 대해서 정리해보자.

 수소폭탄은 산소와 반응하는 연소 반응이 아닌 핵융합으로 발생하는 것이다. 이 핵융합이 무엇인지 알면 수소폭탄의 원리를 알 수 있다.

핵융합

 핵융합에서 핵은 원자핵이라고도 불리는 그놈을 말한다.

 원자핵은 원자 질량의 대부분을 차지하는 양성자와 중성자로 구성된다. 이 때 양성자의 갯수에 따라 원자의 이름을 정했는데, 양성자가 1개일 때 원자의 이름은 수소라고 했고 양성자가 2개일 때 헬륨이라고 했다.

 수소폭탄은 이 두 원소가 주연이 된다. 수소 2개를 융합시키면 헬륨이 되는 것이다.

(여기서 분명히 영상 안 보고 그냥 읽어내려온 사람이 있을 테니 언급하고 넘어가자면 죄다 같은 수소 원자 2개를 때려박는 게 아니라, 양성자1, 중성자1인 중수소와 양성자1, 중성자2인 삼중수소를 합친다.)

 1+1은 (귀요ㅁ..) 2가 되는 것인데 이 때 갯수는 그렇게 될지언정 질량은 그렇게 딱 떨어지지 않고 약간 줄었다. 그 약간의 질량이 에너지로 되어버리는 것이 바로 수소폭탄의 폭발력으로 쓰이는 것이다.

 어떻게 질량이 에너지로 변화는지에 대해서는 따로 정리해둔 포스트가 있어서 여기서 자세히 얘기하지는 않을 것이다. 그리고 당장 여기에 링크를 걸 수 있지만 여기서 걸어두면 아직 수소폭탄에 대해서 다 설명한 게 아닌데 중간에 강의실 뒷문으로 기어나가듯이 나가는 사람이 생길까봐 맨 아래 따로 걸어놓든가 하겠다.

 그래도 간단히라도 얘기를 하자면 바로 세상에서 가장 유명한 공식 E=mc^2 요놈이다. 이는 엠씨제곱, 이는 엠씨스퀘어 뭐 이런 식으로 불리우는 바로 그 식이, 그 훌륭한 식이, 어쩌다가 이 무시무시한 수소폭탄에 쓰이게 됐는지, 전말에 대해서는 잘 모르겠지만.

 그런데 이것만 가지고서는 수소폭탄이 될 수 없다. 물 속에도 수소원자가 있는데 그 물을 풍선에 넣고 던진다고 해서 수소폭발을 하지는 않는다 터지기는 하겠지만 말이다. 핵융합을 해줄 만한 놈이 필요하다.

핵융합 시동걸기

 우리가 가장 흔하게 볼 수 있는 수소폭발은 태양이다. 퍼져있던 수소 등이 만유인력으로 질량 중심으로 모이다가 한 덩어리가 되었는데 덩어리 됐다고 멈추는 게 아니라 계속계속 모이고 모이다가 눌리고 눌려서 수소가 헬륨이 되는 핵융합 반응이 일어나면서 열에너지 빛에너지 등 에너지가 방출됐다. 근데 고와중에도 계속 계속 우주의 물질들이 모이면서 눌러대서 형태와 폭발 상태가 유지된다. 나중엔 헬륨이 핵융합해서 뭐가 되고 또 그 뭐가 융합해서 뭐2가 되고 뭐3, 뭐4까지 가다가 제일 안정적이라고 하는 철까지 가게되면 더 이상... 어디까지 떠들고 있는 건지 이게 지금.. 뭐 그렇게 초신성이 나타나는데 모든 별이 다 그런 건 아니고 상태에 따라 그건 다른데 급하게 이 얘기는 마무리 해야겠다. 딴 길로 너무 샜다.

 어쨌든 태양은 그렇게 수소를 눌러줄 힘이 있어서 핵융합이 되는데 수소폭탄은?

 기존의 핵폭탄인 원자폭탄으로 수소를 감싼 후 원자폭탄을 먼저 터뜨려서 눌러주고 핵융합을 일으킨다. 원자폭탄이고 수소폭탄이고 다 핵폭탄이긴 한데 원자폭탄 같은 경우엔 핵분열을 이용한 폭탄을 말한다.

 이것 역시 E=mc^2을 이용한 것도 같지만, 합쳐지면서 원자가 바뀌는 것이 아니라 나눠지면서 다른 원자로 바뀌는데 그때 질량이 약간 없어지면서 에너지가 된다.

 저 핵분열로 핫한 아이템은 우라늄이다. 얘 같은 경우엔 원자에 중성자를 쏴주면, 양성자와 중성자로 이루어진 큰 원자핵 덩어리가 나눠지면서 중성자 2개 이상이 튕겨나간다. 또 그 튕겨나간 중성자가 다른 우라늄 원자를 때리고 연쇄적으로 핵분열이 일어나게 된다.

폭발력

 원리적으로 따져봤을 때 둘 다 없어진 질량 만큼 에너지가 되는 것은 똑같다. 그런데 수소는 우라늄과 비교했을 때 구하기 쉽다. (아무리 삼중수소를 구해야한다 쳐도) 그래서 기술력이 받쳐줘서 수소를 엄청 때려넣는다면?

 여기서부터는 실제 발생한 적 없는 상상력의 영역이 되어버린다.

에필로그

 공개적인 장소에 포스트를 쓰는 것은 당연히 많은 사람들이 보면 좋길 바라면서 쓰는 것이겠지만서도, 아마 북쪽 그 자가 또 핵도발을 하거나 그럴 때에나 이 포스트의 조회가 올라갈 것을 생각하면, 그런 일은 없어야겠고. 이랬다가 저랬다가 나도 잘 모르겠다. 그냥 '앎'에 대한 욕구로 포스트를 읽었고 그 욕구가 충족되었으면 된 거라 생각할 뿐.

p.s. 중간에 언급한 E=mc^2 포스트 링크

2018/01/01 - [과학] - E=mc2 의미, 증명, 유도 완전 정리 (특수 상대성이론 공식 E=mc^2)