핵무기 안전
나가사키와 히로시마에 떨어진 팻맨과 리틀보이는
만약 사고가 난다면 안전하지 않았다.
두가지 폭탄은 이륙시 핵분열성 물질이 완전 장전된 상태였기 때문에 안전하지 않았다.
무기를 안전하게 만드는 유일한 방법은 위 사진과 같이 핵분열성 물질을 기폭시스템과 분리하는 것이었다.
하지만 초기의 핵무기인 팻맨과 리틀보이는 그러한 설계가 적용되지 않았다.
팻맨과 리틀보이의 유일한 안전장치는 초록색 플러그와 빨간 플러그로 구성되어 있었다.
초록색 플러그는 기폭장치와 전원 공급원간의 회로를 열린 상태(전기가 통하지 않는)
로 유지하였다.
이륙 후 비행 중에 녹색 플러그를 뽑고 빨간색 플러그를 설치했다.
빨간색 플러그는 기폭장치와 전원 공급원간의 회로를 닫힌 상태(전기가 통하는)로 만들어
핵무기를 무장 상태로 바꾸었다.
핵분열성 물질을 기폭시스템과 분리하는 설계는 Mk-4에 이르러서 적용되었다.
이러한 설계는 평상시에는 위 움짤과 같이 핵분열성 물질을 기폭시스템과 분리하였다가,
(핵분열성 물질을 폭격기 내에서 폭탄에 삽입하는 모습)
폭격기가 핵무기를 사용하기 위해 표적으로 날아가는 동안 핵분열성 물질을 기계적인 방법을 사용해 핵무기를
자동 조립하는 in-flight insertion이라는 방식의 설계다.
미국은 1960년대 핵무기를 운용하면서, 다양한 핵무기와 관련된 사고를 경험했다.
이러한 사고들에서 핵무기들은 화재, 추락, 전기충격 등에 노출되었다.
특히 sealed pit설계와 2점 내파 방식을
적용한 핵무기는
사고 발생시 위험한 점이 있었는데, 화재나 오작동으로 인해 폭탄의 2점 기폭장치중 한 곳에서만 폭발이 발생하면 큰 핵폭발이 발생되는 문제가 있었다.
핵무기가 비행기 추락/화재와 같은 상황에서
핵무기의 기폭을 위한 재래식 폭발물이
유폭하여 원치 않는 핵폭발이 일어날 수 있다는 것이었다.
이를 극복하기 위한 설계 기준이 있었으니,
그것이 바로 1점 안전(One-point safety)이다.
2개의 기폭지점중 하나만이
비정상적으로 폭발한다 하더라도
핵물질에서 TNT 4파운드 이상의 핵 출력이
발생할 확률이 100만 분의 1을 넘지 않도록 하는
설계 기준이 도입된다.
이 기준에 맞추어 핵무기가 설계 및 생산되게 된다.
거기에 추가적인 안전을 제공하기 위해 또 다른 변화가 생긴다.
초기의 핵무기를 기폭시키는 폭약은 콤포지션 B를 사용했다
59.5%의 RDX라는 폭약과
39.5%의 TNT,
1%의 왁스로 구성된 이 콤포지션 B는
핵폭탄에 사용하기 위해 녹여서 적절한 모양으로
주조해 내는데에 큰 어려움이 있었다.
콤포지션 B를 주조할 때 공기방울이
생기지 않게 만들어야 했고,
온도변화로 인해 RDX 결정이 TNT와 분리되어
RDX 결정이 가라앉아 폭약의 부위마다 폭약의 연소 속도가 달라지는 문제를 해결해야 했다.
이를 위해 물로 냉각하는 특별히 고안된 주조 틀을 만들어 내었지만 여전히 인간이 한땀한땀 손으로 만들어야 하는 점은 똑같았다.
그리고 콤포지션 B는 화재가 일어난다면
절대 안전하지 않았다. 화재 발생시 폭약에 불이 옮겨붙어 폭발할 가능성이 높았기 때문이다.
이를 해결하기 위해서 로스 알라모스의 과학자와 공학자들은 새로운 폭약을 만들게 된다.
기존의 폭약을 주조하는 불편한 방식에서
벗어나 폭약과 폴리머(고무나 플라스틱같은 것)를 결착제(Binder)로 혼합한
Polymer Bonded Explosive,
PBX를 만들게 된다.
이렇게 폴리머를 혼합한 폭발물 PBX는 가공이 자유로웠다. 선반이나 밀링 머신, CNC같은것을 이용해 썰거나 깎아도 안전했기 때문에 생산이 편리해졌다.
거기에 위에서 언급한 화재에 취약한 콤포지션 B와 같은 폭발물 대신,
TATB(triaminotrinitrobenzene)와 같은
새로운 둔감 고폭약(Insensitive High Explosive, IHE)을 사용해 화재가 일어나도 안전한
LX-17-0
(구성 성분: TATB 92.5%, Kel-F-800 바인더 7.5%)과
PBX-9502
(구성 성분: TATB 95%, Kel-F-800 바인더 5%)가 등장한다.
(여기서 LX란 Livermore eXplosive, 로렌스 리버모어 연구소에서 만든 폭발물이란 뜻이다.)
공학자들은 여기서 그치지 않고 추가적인 안전장치를 더 만든다.
핵무기에 배제 구역(exclusion zone)을 만들어 그 안에 기폭장치와 핵 장치를 넣고
전원공급장치와 배제 구역 내에 존재하는 핵장치+기폭장치를 분리한다.
이렇게 구성하면 배제구역 밖에서 무슨 일(번개, 정전기, 화재 등등)이 일어나든지간에 무감각한 상태가 된다.
이렇게 핵무기의 전원과 기폭장치를 분리하고, 핵무기가 무장되어 사용될 때 전원과 기폭장치를 연결해주는 것을 강한 고리(strong link)라고 명명했다.
이 Strong Link는 두 가지가 있는데
ESD(Environmental Sensing Device)로 활성화되어 회로를 연결해주는 strong link와
PAL 코드가 입력되어야만 활성화되어 회로를 연결해주는 strong link가 있다.
여기서 ESD란 핵무기가 사용되는 환경을 감지하면(중력가속도, 열, 미사일의 유도장치에서 나오는 신호, 무중력, 기압 변화 등등)특정 신호를 출력해서 Stronglink의 회로를 연결해주는 역할을 한다.
이 두가지의 stronglink의 회로가 전부 연결되어야만
핵무기를 기폭시킬 준비가 되는 것이다.
하지만 비행기 추락, 미사일 폭발과 같은 사고로 인해 배제구역을 분리하는 차단 벽이 손상될 가능성도 고려해야 했다.
이를 위해 약한 고리(weak link)의 개념도 도입되었다.
Weak link란 강한 고리보다 더 낮은 열적,기계적, 전기적 스트레스 환경에서
고의적으로 고장나도록 설계된 것을 말한다.
예를 들면, 핵무기가 화재로 인해 비정상적인 환경
(예시:높은 온도)에 노출되면
배제 구역 내의 핵무기 기폭 회로들이 녹거나 파괴되어 기능을 영구적으로 상실하는 것이다.
Stronglink/Weaklink간의 작동은 위 표로 한번에 정리가 가능하다.
또한 악의적인 의도로 핵무기 안전장치를 우회하는 것을 막기 위해 핵무기의 주요 전자회로는
다음 사진과 같이 완성된 이후 플라스틱 수지를 넣어 한 덩어리로 굳힌다.
다음 사진과 같이 완성된 이후 플라스틱 수지를 넣어 한 덩어리로 굳힌다.
위와 같은 노력들이 더해져, 오늘도 미국의 핵무기는 Always, Never(언제나 사용이 준비되었지만, 절대 사고나 악의적인 행동으로 인해 기폭되지 않는)상태를 유지하고 있다.
출처: 도서 swords of amageddon
이 개같이 못써서 욕처먹은 글의 A/S버전임.
이제서야 A/S해서 뿌듯하네.
- dc official App
중러영프인파북이도 궁금하지만 워낙 자료가 없단 말이야
미국 외에는 이런 자료가 별로 없어서 더 궁금해지긴하네. 핵무기 가진 국가들 전원, 필요할때만 핵이 터지길 바라지 아무나 쏘는건 원하진 않을꺼고
핵무기 유지보수 비용이 매우 비싼 까닭 중 하나가 이런 거군요
저런 안전장치를 검증하는것도 비싸고 시한성부품, 예를들면 g당 가격이 3000만원 하는 삼중수소같은걸 몇년에 한번씩 4g정도를 갈아주기도 해야 하니까요. - dc App
Strong link weak link 신기하네 일부러 고장을 빠르게 일으키는거
폭축렌즈 만들면서 콤프B 성형하고 매번 x레이 검사했을 거 생각하면 아주 그냥…
그래가지고 트리니티 핵실험때 폭발물 전문가인 조지 키스티아코프스키가 치과용 드릴 가지고 폭약 내부의 공기방울을 일일이 없애느라 고생좀 했지. - dc App
개인적으로 궁금한 것은, 일반적으로 한계 질량 붕괴 특성을 가진 금속을 어떻게 보관하는 가 인데, 이것도 참고자료를 포함하여 올려 줄 수 있는가?