원자폭탄과 맨해튼 프로젝트의 물리학과 과학
나가사키, 히로시마, 체르노빌과 후쿠시마까지 전 세계인들은 핵 반응이 얼마나 무서운 결과들을 낳을 수 있었는지 직접 목격을 하였다. ‘핵’이라는 단어만 들어도 등골이 오싹해질 만큼 ‘핵’이라는 단어는 공포심을 일으키고 ‘위험’과 ‘극단적인’ 느낌을 주는 단어가 되었다.
‘핵’에 대해서 모두가 알지만 사실은 ‘핵 에너지’나 ‘핵 반응’이 무엇인지 사람들이 잘 모르기 때문에 더욱 공포심을 일으키는 것도 있다. 이 글을 통하여 맨해튼 프로젝트를 필두로 핵반응과 원자폭탄 그리고 핵폭탄의 원리와 과학에 대해서 알아보고자 한다.
*참고로 아래의 과학적 원리들은 매우 개괄적인 사실들만 골랐습니다.
먼저 글을 앞서기에 있어서 세상에 존재하는 모든 원소들은 양성자(proton), 중성자(neutron) 그리고 전자(electron)으로 구성이 되어 있다. 이들 서로의 관계로 인해서 모든 물질이 생겨난다.
양성자란 무엇인가?
양성자는 양전하 즉 플러스 (+) 전하를 띠면서, 원자의 ‘핵’(nucleus)를 구성하는 입자이다. 양성자의 숫자는 원자번호를 결정하며, 이는 곧 각 원소를 정의하는 특징이 된다.
같은 양성자 수를 가지고 있으면 같은 원소이되, 양성자 이외의 입자들에 의해서 전하나 원자량(즉 원자의 무게)는 달라질 수 있다.
화학에서는 양성자를 수소 이온(H+)으로도 표현하는데, 수소는 원소 상태에서는 전자 하나와 양성자로 이루어져 있기 때문에 이 수소가 전자를 하나 잃으면 +1의 양전하를 띠며, 양성자 하나로 구성된 입자가 되기 때문이다.
그래서 수소는 화학이나 물리에서 많은 의의를 띤 원소이기도 하다.
중성자란 무엇인가?
중성자는 전하를 띠지 않지만 원자의 핵(nucleus)를 구성하는 입자이다. 하지만 중성자는 특정원소가 가지는 고유의 성질이나 화학적 성질에는 관여를 하지 않지만 원소의 물리적인 성질에는 관여를 하는 입자이다.
‘동위 원소’는 같은 양성자의 숫자를 가져서 동일한 원소이지만 중성자의 수가 달라서 다른 원자량과 물리적인 성질을 가진 원소를 일컫는다. 다른 말로, 양성자의 수는 같더라도 중성자의 수는 다른 원소가 동위 원소인 셈이다.
원소에 따라서 중성자 수가 더 많거나 적은 것이 원소를 ‘불안정하게’ 만들 수 있고, 이로 인해서 ‘방사성’ 즉, 에너지를 방출할 수 있는 능력을 가질 수도 있다. 그래서 방사성 동위원소라는 말이 많이 사용된다.
중성자는 또한 핵 반응로나 입자 가속기와 같은 장치들에서 매우 중요한 역할을 한다. 중성자는 양성자와 거의 동일한 무게를 가져서, 중성자를 빠르게 가속시키고 이들의 숫자를 조절하면, ‘충돌’을 일으켜서 ‘핵반응’을 유도할 수 있다.
중성자 가속기와 같은 단어들이 자주 뉴스에서 오르락 내리락 하는 이유 또한 많은 핵 반응이나 물리 실험들이 중성자를 가속시키기 때문이다.
전자란 무엇인가?
전자는 원자의 핵 주변의 전자 구름의 궤도에서 존재하는 음 전하(-) 즉, 마이너스 전하를 띤 입자이다.
전자는 양성자와 중성자에 비해서 거의 1/2000 수준의 무게이기 때문에 전자의 무게는 매우 많은 경우 무시가 되곤 하며, ‘핵 반응’ 차원에서 전자들은 많은 관여를 하지는 않는다.
다만 핵 반응으로 인한 부차적인 효과로 전자기충격파(EMP)가 발생을 하고, 이 전자기충격파 즉 EMP(Electro Magnetic Pulse)이 순간적으로 반도체나 도체의 회로 속의 전자의 진동을 극단적으로 높여서 회로를 타버리게 만들기는 한다.
여튼 ‘핵 반응’자체가 중성자와 양성자가 이루는 원자의 ‘핵’과 관련이 많아서 ‘핵 반응’(nuclear reaction)이라고 일컫는다.
E=mc2 는 대체 왜 물리학과 방사능, 핵 반응과 관련해서 중요한가?
알버트 아인슈타인의 상대성 이론과 그의 식 E=mc2은 너무나도 유명한데, 대체 이 방정식이 어떤 의미를 가졌는가?
여담으로 아인슈타인의 상대성 이론은 전자기학적인 관점에서 전자의 흐름이 관찰이 되지 않는데 전류가 흐르는 현상에서 발견되었다. (후에 다루겠다.)
E는 Energy 즉, 에너지를 뜻하며, m은 mass 즉, 특정 물질이나 질량 그 자체를 의미한다. C는 빛의 속도 즉 광속을 뜻하며 이는 정해진 속도이다.
이 방정식의 진정한 의미는 ‘에너지는 질량으로 전환될 수 있고, 질량이 에너지로 전환될 수 있다’라고 할 수 있다. 에너지라는 것이 형태가 없지만 사실은 에너지가 어떤 물질이나 형태가 될 수 있음을 시사하고, 어떤 물질이나 형태가 분해되어 에너지가 될 수도 있다는 뜻이다.
흔히 상식으로 알려진 빅뱅 이론(Big Bang Theory)도 ‘작은 폭발에서 시작되어 우주가 끊임없이 팽창된다’는 이론인데, 이 폭발로 인한 에너지가 ‘질량’과 ‘형태’를 가진 질량을 만들어 냈다고 단순히 E=mc2 라는 식만을 통해서도 유추가 가능하다. 이는 핵의 반응으로 인한 에너지의 방출에도 큰 의의를 가진 식이다.
방사능이란 무엇인가?
방사능 (Radioactivity)은 전자기 반응이나 원자의 핵의 ‘붕괴’와 같은 이유로 인한 에너지의 방출의 총칭을 일컫는다.[1] 일반적으로 방사능은 이온화 방사능(전리 방사능) 과 핵방사능으로 나눌 수 있다. (이에 국한되지는 않는다.)
핵 방사능(Nuclear radiation)은 원자나 원소의 핵에서 비롯된 에너지의 방출로 인해서 에너지를 방사할 수 있는 능력을 말한다.
핵폭탄이나 원자력 발전, 알파 붕괴(Alpha Decay), 베타 붕괴(Beta Decay)나 감마 붕괴(Gamma Decay)와 같은 반응들이나 현상들이 모두 이러한 핵 방사능/방사선의 작용에 의해서 발생된다.
이온화 방사능 또는 전리 방사선(Ionizing radiation)은 전자기학적인 반응으로 인해서 방출되는 에너지와 방사선이나 방사능을 일컫는다.
가장 대표적인 이온화 방사능 반응으로는 음 전하를 띠는 전자를 매우 빠르게 가속시키거나 양성자를 매우 빠른 속도로 가속시켜서 발생시키는 엑스레이(X-Ray) 즉, X선 과 같은 방사선이 있다. 엑스레이와 같은 이온화 방사능은 원자의 핵에서 비롯된 반응이 아니다.
알파 붕괴 Alpha Decay / α-decay
알파 붕괴는 어떤 원소가 ‘알파 붕괴’(Alpha decay)라는 방사성 붕괴를 통해서 ‘알파 입자’(alpha particle)을 방출하는 방사성 붕괴를 뜻한다. 이 알파 입자는 사실 헬륨 원자로 두개의 중성자와 두개의 양성자로 구성이 되어 있다. 따라서 어떤 원소가 알파 붕괴가 발생하면 원자 번호가 2개 낮은 새로운 원소가 되는 과정이라고도 할 수 있다.
우라늄-238(Uranium-238)을 예시로 들면 (우라늄-238은 원자량이 238이며 원자번호가 92인 원자이다. / 원자량은 중성자수 + 양성자수이며 원자번호는 양성자 수와 동일하다) 우라늄-238이 알파 붕괴에 들어가게 되면 토륨-234(Thorium-234)가 되며, 하나의 헬륨 입자와 에너지가 발생 한다.
알파 붕괴 자체는 말이 거창해 보이지만 실제로 방출되는 에너지양은 A4 용지 한 장도 통과하지 못할 정도로 미미하다. 하지만 알파 붕괴는 다른 방사성 붕괴와 동시에 일어날 수도 있으나 그 알파 붕괴 자체는 방사성은 무해하다고 봐도 무방하다. 지구 상에서 존재하는 99%의 헬륨 입자들은 이러한 알파 붕괴로 인해서 자연적으로 발생한다.
베타 붕괴(Beta Decay)
베타 붕괴(Beta decay)는 중성자와 양성자로 이루어진 원자 핵이 불안정해져서 중성자가 양성자로 변하거나 양성자가 중성자로 변하면서 아원자 입자와 에너지를 방출하는 붕괴이다.(이 글에서는 일부러 아원자 입자들은 다루지 않았다.)
양의 베타 붕괴는 양전자(positron)과 중성미자(neutrino)와 에너지를 방출하면서 양성자가 중성자로 변한다.
음의 베타 붕괴는 반-중성미자(anti-neutrino)와 베타 입자(베타 입자는 전자와 동일하다)와 에너지를 방출한다. 음의 베타 붕괴는 반대로 중성자가 양성자로 변한다.[2]
베타 붕괴는 알파 붕괴보다는 많은 에너지를 방출 하지만 이 베타 붕괴로 인한 방사선도 알루미늄 한층으로도 막을 수 있을 만큼 에너지량 자체는 적다.
감마 붕괴(Gamma Decay)
감마 붕괴(Gamma Decay)는 감마선 광자를 방출하면서 엄청나게 높은 양의 에너지를 방출하는 방사성 붕괴이다.
이 감마 붕괴로 인해 발생한 에너지는 다른 붕괴를 일으키면서도 이 에너지 자체가 방사성 화상이나 유전자 변형 등의 악영향을 미칠 정도로 치명적이기도 하다.
감마 붕괴 자체는 원자나 원소의 핵 자체가 에너지 양이 많아지면서 불안정한 상태가 되면서 에너지를 방출하면서 발생하는 현상이다.
흔히 방사성 물질이라고 일컫는 물질들은 이러한 감마 붕괴를 일으킬 수 있는 불안정한 물질들을 일컫는다. 방사성 물질이 감마 붕괴를 거쳐도 에너지와 감마 광자들만 방출을 하기에 원자 자체에 대한 변형은 없다.
감마 붕괴는 두꺼운 납 층은 통과를 못하기에 납 소재의 재질은 방사능에 대비한 벙커나 건축 자재로서 활용이 되며, 매체 상에서도 ‘납’이 방사능 물질을 방호 하는 기준처럼 언급이 되곤 한다.
핵분열(Nuclear Fission)
핵 분열(Nuclear fission)은 초기 원자폭탄의 원리이며 현재 원자로 가동의 원리가 되는 현상이다. 핵 분열은 원자의 핵이 여러 개의 핵으로 쪼개지면서 중성자와 에너지도 같이 방출을 하는 현상을 일컫는다.
핵 분열은 중성자를 가속시켜서 목표하는 원소의 핵과 충돌시켜서 인위적으로 유도를 할 수 있으며, 핵의 크기가 어느 정도 큰 물질들과 가속한 중성자를 충돌시킬 경우, 엄청난 전자기파, 방사성 에너지, 운동 에너지와 열 에너지를 일으킬 수 있다.
이 과정에서 엄청나게 많은 감마 입자들과 감마 붕괴 또한 일으키기도 한다.
핵 원자로들이 주로 이렇게 중성자들을 가속시켜서 핵 연료가 되는 우라늄-235나 플루토늄-239와 같은 물질들에게 충돌시켜서(이들은 자체적으로도 농축되면 핵 연쇄 반응을 일으킨다.) 핵분열을 일으키고 엄청난 에너지를 발생시킨다.
핵분열 물질(Nuclear Fissile Material)
핵 분열 물질(Nuclear fissile material is a material)은 엄밀히 정의하면, 특정 농도 이상으로 농축시켰을 때 자체적으로 ‘핵 연쇄 반응’ 즉, 자체적으로 자유 중성자들이 다른 원자들과 충돌하여 핵 분열을 연속적으로 일으키는 반응을 일으키는 물질이다.
한 마디로 핵분열 물질은 어느 정도 농도가 되면, 자체적으로 자유 중성자들이 방출되고 이 자유 중성자들이 다른 원자들의 핵과 충돌시켜서 핵분열을 연속적으로 핵 연쇄 반응(nuclear chain reaction)을 일으킨다.
다행히도 그 정도로 핵이 크고, 불안정한 물질은 우라늄-235, 우라늄-233(우라늄-235보다도 더 희귀하다)과 플루토늄-239 정도만이 있다.[3]
즉발 임계(Prompt Criticality)
즉발 임계(The Prompt Criticality)는 핵 분열 물질이 핵 연쇄 작용을 일으킬 정도로 자유 중성자들을 방출하는 농도나 임계점이다.
즉발 임계의 식은 k = 1 + β, β 는 지연 중성자 분율을 의미한다.
즉발 임계는 따라서 원자로 안전 수칙의 중요한 기준이 된다. 체르노빌 원전 사고 또한 즉발 임계를 통제하는 시스템이나 설비 설계상의 오류로 인해서 발생을 한 사고이니, 즉발 임계의 통제는 방사능 물질을 다루는 모든 설비에 중요한 수치이다.[4]
우라늄(Uranium)
우라늄은 92개의 양성자를 가졌으며, 원자번호 92번을 가진 원소이다. 2021년을 기준으로 현재118개의 원소가 발견되었는데, 우라늄은 지구상에서 자연적으로 발생하는 원소 중 가장 무거운 원소이다.
우라늄은 광석 형태로 채광이 되는 물질이며, 사실은 금속이다. 우라늄은 산화 우라늄의 형태로 광석 형태로 채광 된다. 워낙 무시무시한 악명을 가진 원소라서 우라늄을 구매하기는 어려울 것 같지만 우라늄은 1kg 당 50~100 달러 선에서 비교적 악명과는 달리 저렴하게 구매가 가능한 금속이다.[5]
이러한 우라늄은 사실 우라늄-238로 이 우라늄-238은 자연적으로도 채광이 되고, 우라늄 농축 과정에서의 부산물로도 발생을 하는 물질이며 열화우라늄으로도 불린다.
예시로 열화 우라늄이나 이러한 우라늄-238은 국방 차원에서 장갑을 뚫는 철갑탄의 소재로도 사용이 되며, 방사능 방호 벙커의 건축 소재로도 사용이 되는 물질이다. 심지어는 특정 도자기 제조 기술에도 사용이 되는 것이 우라늄이다. 대체 그러면 그 위험한 우라늄은 무엇인가?
우라늄-238과 우라늄-235의 차이
전 세계에 매장 된 우라늄의 99%는 우라늄-238이다. 그리고 자연적으로 발생하는 모든 우라늄의 0.7%만이 우라늄-235 동위원소이다. 우라늄-238은 핵 연쇄 작용을 일으킬 수 있는 핵 분열 물질이 아니기에 원자로에서 활용 가치가 거의 없다. (별도의 쓰임이 있다 후술할 예정)
하지만 우라늄-235는 특정 농도 즉, 즉발 임계 이상에서 핵 연쇄 작용을 일으키는 핵분열 물질이다. 우라늄-235는 특정 조건에 따라서 15~40kg 정도의 농축이 되는 순간, 핵 연쇄 작용을 일으킬 수 있는 핵분열 물질이며, 이러한 우라늄-235의 농도를 높이는 과정을 ‘핵 농축’ 또는 ‘우라늄 농축’(Uranium Enrichment)라고 부른다.
우리가 뉴스에서 보는 ‘핵 농축 시설’의 위험성과 같은 문구가 바로 이러한 우라늄 농축(그리고 후술할 플루토늄 농축)을 일컫는 셈이다.
왜 우라늄인가?
우라늄은 자연적으로 발생하는 방사성 원소들(동위원소 포함) 주에서 쉽게 붕괴를 하는 물질이다. 그리고 오히려 붕괴 반응을 통제하기에 매우 용이한 물질이기도 하다.
또한, 우라늄 농축과 같은 과정을 통해서 핵 연쇄 작용 또한 일으킬 수 있기에 우라늄이 최초의 핵폭탄과 핵 원자로에 쓰일 에너지원으로 선택되었다.
우라늄 농축 (Uranium Enrichment) 핵 농축
자연적으로 발생하는 우라늄-235는 오로지 전체 우라늄 매장량의 0.7%밖에 되지 않는다. 하지만 핵 분열물질인 우라늄-235의 농도를 높이고 농축을 시켜야만 핵 연쇄 작용을 일으킬 수가 있기 때문에 우라늄-235의 농도를 일으키는 우라늄 농축은 원자로에 사용하기 위해서는 필수적이다.
3~5% 정도의 우라늄-235는 ‘낮은 농축 우라늄’ ‘Low Enriched Uranium’ 이라고 부르며 보통은 원자로에 사용되는 우라늄-235의 농도가 3~5%가 된다. 20% 이상의 우라늄-235는 ‘고농축 우라늄’으로 칭하며 (‘Highly Enriched Uranium’)이는 군사용도로서 국가들간의 매우 민감한 사안으로 발전 가능한 농도가 되는 것이다.
따라서, 핵 농축 시설들은 매우 위험한 시설로 치부가 되며, 원자로 가동을 위한 우라늄 농축 수준이라고 하더라도 국가간 정치적 긴장감이 높아진다.
플루토늄(Plutonium): 플루토늄의 발명과 합성
우라늄은 자연에서 자연스레 발생하는 원소 중 가장 무거운 원소이다. 하지만 핵 물리학자들은 우라늄을 연구하고 핵 분열 등을 연구하면서, 우라늄-238이 가속된 중성자와 충돌할 때 가끔은 중성자와 충돌하여 핵 분열이 일어나지 않고, 이 중성자를 흡수하는 현상이 생긴다는 점을 발견하였다.
과학자들은 이 중성자를 흡수한 우라늄-238이 곧 23분만에 음의 베타 붕괴를 통해 원자번호 넵투늄(원자번호 93)으로 변하는 것을 관찰하였다.
하지만 이에 그치지 않고, 이 넵투늄(원자번호 93) 또한 2일 반 동안의 시간만에 다시 한번 베타 붕괴를 하여 원자번호 94번인 플루토늄이 합성되는 현상을 발견하였다. 우라늄-238의 재발견으로 인하여 죽음의 원소 ‘플루토늄-239’가 발명되고 합성이 된 순간이었다.
왜 플루토늄-239를 사용하는가? 왜 다른 동위원소는 안되나?
우선 상대적으로 흔한 우라늄-238로부터 가속된 중성자를 충돌시켜 흡수가 되는 순간만 잘 포착하면 우라늄-235를 굳이 농축시킬 필요가 없다.
우라늄-238과 우라늄-235 사이의 차이는 오로지 물리적인 차이(원자량, 원자무게)이기 때문에 상당히 어렵고 섬세한 기술이 우라늄 농축에 필요하다.
게다가 우라늄-235은 그 자체가 매우 희귀하다. 하지만 플루토늄-239는 제법 흔한 우라늄-238로 합성할 수 있으니 플루토늄-239는 어떤 면에서 혁신인 셈이다. 그렇다고 플루토늄-239 합성이 손쉽고 저렴하다는 뜻은 절대 아니다.
또한, 플루토늄—239는 우라늄-235보다도 낮은 즉발 임계를 가졌으며, 매우 핵분열을 잘 하는물질이며 핵 연쇄 작용 또한 일으키는 물질이다.
다만 어떤 부산물로서 플루토늄-240이 합성 과정에서 발생하는데, 플루토늄-240은 핵 연쇄 작용을 거의 일으키지 않는 물질이며, 플루토늄-239와 플루토늄-240의 분리는 더욱 힘들기에 한계 또한 존재하기도 한다.
플루토늄 등급
플루토늄-240은 겨우 원자량 1의 차이로 플루토늄-239와 너무나도 확연한 물리적인 성질의 차이가 있으나 엄청 나게 순도 높고 섬세한 기술이 분리 정제에 필요하기에 플루토늄-239의 농도가 높고 플루토늄-240의 농도가 낮을수록 높은 등급의 플루토늄 등급이 매겨진다.
이러한 플루토늄의 등급은 군사적으로 정치적으로 따라서 매우 민감한 사안이 된다.
슈퍼그레이드 플루토늄 (Super grade Plutonium) - 2~3 % 플루토늄-240의 비율
무기 등급 플루토늄(Weapon grade Plutonium) 3~7% 플루토늄-240의 비율
연료 등급 플루토늄(Fuel grade Plutonium) 7~18% 플루토늄-240의 비율
원자로 등급 플루토늄(Reactor grade Plutonium) 18% 이상 플루토늄-240의 비율
팻 맨(Fat man) – 최초의 플루토늄 핵 분열 원자 폭탄 / 리틀 보이(Little Boy) – 최초의 우라늄 핵분열 원자 폭탄
미합중국 공병단의 레슬리 그로브스(Leslie R. Groves) 준장(레슬리 그로브스는 펜타곤 즉, 미국 국방부의 건설도 지휘하였으며, 역사적으로 미국 육군에서 공병은 미국 육군 내의 최고 엘리트의 상징이었다.) 의 지휘 아래에 J.로버트 오펜하이머(J. Robert Oppenheimer) 박사를 필두로 미국 전역에 흩어진 연구실에서 맨해튼 프로젝트가 시작되었다.
로버트 오펜하이머 박사가 위치한 뉴 멕시코의 로스 알라모스 연구실(Loss Alamos Laboratory)를 필두로 핵 분열과 핵 폭탄 즉 원자 폭탄에 대한 연구가 동시다발적으로 미국 전역에서 극비리에 진행되었다.
리틀 보이(Little Boy)는 우라늄-235를 사용하여 총처럼 입자를 쏘는 총신형 방식의 원자폭탄(gun-type nuclear bomb )으로 설계가 되었으며, 팻 맨(Fat Man)은 플루토늄-239를 사용하여 여러 개의 층의 다른 화학적 물리적 성질을 가진 물질들을 통해서 안에서부터 핵분열이 연쇄적으로 발생하는 내파형 방식(implosion type)의 원자폭탄으로 설계가 되었다.
509 혼성 비행단의 부대원들에게 원자폭탄을 이용한 일본 본토 폭격 명령이 떨어졌고, 1945년 8월 9일 393 폭격 비행대대의 B-29 폭격기 에놀라 게이(Enola Gay)는 리틀 보이(Little Boy)를 히로시마에 폭격한다.
1945년 8월 9일, B-29 폭격기 복스카(Bockscar)은 팻 맨(Fat Man)를 나가사키에 폭격한다. 원래 복스카는 일본의 항구 도시 코쿠라를 폭격할 계획이었으나 날씨가 좋지 않아 시계가 확보가 안 되어서 2차 목표인 나가사키를 폭격하였다.
129,000 명에서 226,000명의 대다수의 민간인을 포함한 희생자들이 이 두 폭탄으로 인해 사망하였고, 방사성 낙진은 더욱 많은 사람들을 수년간 괴롭혔다. 일본 제국 또한 1억 옥쇄(“The Glorious Death of One Hundred Million”)를 천명하고 마지막 최후의 한 명까지 저항하겠다는 의지 또한 꺾여버려서 일본제국은 1945년 8월 15일 무조건적인 항복을 선언하였다.
[1] “Doe Explains...Radioactivity.” Energy.Gov, www.energy.gov/science/doe-explainsradioactivity. Accessed 10 July 2023.
[2] Beta Decay, www.atomicarchive.com/science/physics/beta-decay.html. Accessed 10 July 2023.
[3] “Fissile Material.” NRC Web, www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/fissile-material.html. Accessed 10 July 2023.
[4] Nuclear Criticality Safety Engineering Training Criticality Safety In ..., ncsp.llnl.gov/sites/ncsp/files/2021-05/Module11.pdf. Accessed 10 July 2023.
[5] “Uranium.” FocusEconomics, www.focus-economics.com/commodities/energy/uranium/. Accessed 10 July 2023.
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