핵무기의 주 원료인 플루토늄-239는 우라늄-235과는 달리 자연에서 발견되지 않는다.
플루토늄-239를 포함한 모든 플루토늄 동위원소는 인간이 인공적으로 만들어 낸 원소이다.
플루토늄-239는 일반적으로 원자로에서 만들어낸다.
비핵분열성 물질인 우라늄-238이 중성자를 하나 흡수하여
우라늄-239가 되고, 이 우라늄-239가 넵투늄-239로, 이후 넵투늄-239가 플루토늄-239로 바뀌게 된다.
그리고 원자로 내에서 플루토늄-239가 중성자를 흡수하며
플루토늄-240이 생성되고,
플루토늄-240이 중성자를 흡수하면 플루토늄-241이 되고,
플루토늄-241이 중성자를 흡수하면 플루토늄-242가 된다.
플루토늄-240, 플루토늄-242는 비핵분열성 물질로,
핵무기를 만들 때 방해가 되는 불순물이라고 생각하면 편하다.
플루토늄-241은 핵분열성 물질이지만
이건 핵무기 제조에 도움이 되는지는
더 조사해봐야 할 듯 하다. 개인적으로 추정하자면
반감기가 14년이기 때문에 핵무기 제조에는 적합하지 않을 것으로 추정된다.
플루토늄이 원자로 내에 오래 있을수록 플루토늄-239는 줄어들고, 플루토늄-240, 241, 242는 늘어난다.
플루토늄은 여러 등급이 있다.
플루토늄의 동위원소인 플루토늄-240 함량에
따라 등급이 나뉜다.
현재 기준은 플루토늄-240함량이
3% 미만이면 초 무기급 플루토늄,
7% 미만이면 무기급 플루토늄,
7~19% 사이라면 연료등급 플루토늄,
19% 이상이라면 원자로등급 플루토늄이라고 분류한다.
물론 제일 중요한 것은 핵무기의 주 재료인
플루토늄-239이다.
하지만 왜 플루토늄-240 함량이 중요하냐면,
플루토늄-240의 높은 자발 핵분열률(스스로 핵분열함)은
핵무기를 만들 때 방해가 된다.
핵무기는 설계자가 원하는 때에
(그래프 세로축의 N값, 증배계수가 최고가 되기 직전)
중성자가 방출되어
핵분열이 충분히 많이 일어나야
원하는 위력을 방출하는데,
플루토늄-240은 가만히 놔두어도
스스로 핵분열하여 중성자를 방출하는게 너무 심해서
최대한 높은 초임계질량에 이르기 전에
플루토늄-240에서 방출되는 많은 양의 중성자 때문에 핵물질이 최대한 높은 초임계질량을 달성하기 한참 전에 핵분열이 시작된다.
이렇게 되면 적은 양의 핵물질만 핵분열하게 되고, 여기서 나온 에너지가 핵물질을 흩어버려 핵분열 연쇄반응이 중단되고,
설계 당시에 목표했던 핵출력에 한참 못미치는
폭발력을 얻게 된다.
이렇게 원하는 때보다 이르게 핵분열이 일어나는 것을
사전폭발(predetonation)이라 하고,
목표했던 핵출력에 한참 못 미치는 핵출력을 내는 것을
피즐(fizzle)이라 한다.
이런 플루토늄-240의 높은 자발 핵분열률로 인해서
어떤 등급의 플루토늄이던간에 포신형 핵무기를 만들기는 힘들고, 내폭형 핵무기가 적합하다.
또한 원자로급 플루토늄을 핵무기 재료로 사용하는데 어려운 이유가 하나 더 있는데,
고연소도, 그러니까 원자력발전소에서
높은 열출력을 오랫동안 내도록 연소된 사용후 핵연료에는
(사진은 스스로 붕괴할때 발생한 열로 달아오른 플루토늄-238의 모습)
또다른 플루토늄 동위원소인 플루토늄-238이 들어있기 때문이다.
이 플루토늄-238은 우주/행성탐사선에서 전력원(RTG)으로 쓰일 만큼 열 발생량이 높다.
이로 인해 열 관리가 안된다면 플루토늄이 내파용 고폭탄을 녹여버릴 수 있다.
원자로급 플루토늄으로는 핵무기 제조가 불가능하다고
주장하는 사람들은 다음과 같이 이야기한다.
팻맨을 만들 당시의 원시적인 핵무기 기술로 설계한 핵무기에
원자로급 플루토늄을 사용한다면 플루토늄-240이 내뿜는 중성자로 인한 사전폭발이 발생하여 fizzle이 발생할 것이다.
중급 기술을 사용한다면 조금 더 높은연소도의
원자로급 플루토늄이 사용될 수 있지만
거기에 많은 양(9%)의 플루토늄-238이 포함되어 있다면 핵무기 제조는 불가능할 것이라고 분석했다.
위에서 언급했듯 원자로급 플루토늄을 핵무기에 사용할 가능성이 낮다고 평가하는 사람들은
첫째, 플루토늄-240의 높은 자발 핵분열률로 사전폭발 가능성이 높아 신뢰성에 의문이 가는 핵무기가 탄생할 것이다.
둘째, 플루토늄-240, 241,242의 붕괴에서 발생하는
차폐하기 어려운 감마선이
무기급 플루토늄에 비해서 많이 발생하여
핵무기 생산과 운용과정에서 신경을 많이 써야 한다.
셋째, 플루토늄-238, 240, 241, 242 가
존재할 경우의 열 발생 문제도 있다.
특히 플루토늄-238이 존재할 경우 어마어마한 양의 열을 방출하는데 이 플루토늄-238이 존재하는 원자로급 플루토늄을 이용해 내폭형 핵무기를 제조할 경우 핵물질을 둘러싸고 있는
내파용 고폭탄이 녹거나 변성될 수 있다.
넷째, 원자로급 플루토늄이 담긴 사용후 핵연료는
무기급 플루토늄을 생산할 목적으로 원자로에서
짧게 연소시킨 핵연료보다 더 많은 양의 방사선을 방출하기 때문에 더 높은 방호력을 가지는 차폐 시설이 필요하다.
다섯째, Pu-240, 241, 242 등 Pu-239 외의 불순물이 더 많이 섞여있으므로 임계질량이 늘어날 것이다.
이렇게 다섯가지 이유를 들며 원자로급 플루토늄의 핵무기 전용가능성에 대해 낮게 평가한다.
하지만,
원자로급 플루토늄으로 핵무기 제조가 가능한지에 대해서는
논란이 있는 듯 하다.
하지만 이 책과 LANL에서 일했던 수학자인
J. Carson Mark의 주장은
어떤 원자로급 플루토늄이든간에
약간의 잔머리를 굴리면 얼마든지
핵무기를 제작할 수 있다고 한다.
특히 이 책은 원자로급 플루토늄으로 핵무기 제작이 불가능하다고 말하는 주장을 가루가 되도록 깐다.
이 책은 위에서 말한 원자로급 플루토늄으로 핵무기 제작이 불가능한 이유를 하나하나 반박한다.
1.플루토늄-240의 높은 자발 핵분열률로 인해 사전폭발 가능성이 아주 높은 신뢰성이 떨어지는 핵무기가 나온다.
->>>수십 kt급 핵무기를 만든다는 욕심을 내지 않고
5kt급의 핵출력을 목표로 핵무기에 들어가는 핵물질 양을 줄인다.
또한 정말 원시적이었던 팻맨 설계를 사용하지 말고,
미국이 50년대에 핵무기의 효율을 늘리기 위해 했던 설계인
핵무기 내부에 공극을 만들어
더 높은 플루토늄의 압축을 가능케 하면 된다.
여기서 한번 더 나아가서,
공극 추가 설계에 더해서
핵무기의 플루토늄 코어(피트) 내부를
빈 공간으로 만들어서 공극을 추가하는 설계보다
더 높은 플루토늄 압축률을 달성할 수도 있다.
이런 설계들을 적용하면 무기급 플루토늄을 사용하는
5kt급 핵무기와 동일한 사전폭발 가능성을 가지는
신뢰성있는 핵무기의 제작이 가능하다.
이런 팻 맨 설계보다 조금 더 발전된 설계는
프랑스와 중국의 첫 핵폭탄에서 사용된 바 있다.
위의 표를 보면 1950년대 초 미국의 내파장치 기술과 원자로급 플루토늄의 양을 임계질랑 직전까지
많은 양을 넣으면,
가장 높은 플루토늄-240 함량을 가지는 높은 연소도의 원자로급 플루토늄마저도
1kt 이상의 핵출력을 뽑아 낼 확률이 최소 62% 이상이며,
평균적으로 2kt급의 핵출력이 나올 것이라고 한다.
만약 플루토늄-240 함량이 20%인 플루토늄을
핵무기에 사용한다면 평균 핵출력이 8킬로톤,
월성원전과 같은 모델인 CANDU 원자로에서 나온
원자로급 플루토늄을 사용한다면
평균 핵출력은 5kt정도 나올 것이라 한다.
좀 발전된 국가가 원자로급 플루토늄으로 핵무기 제작을 시도한다면 위와 같은 구조의 증폭 핵분열탄을 설계하여
플루토늄-240의 자발 핵분열로 방출되는
중성자에 의한 사전폭발 가능성에 완전히 면역인 핵무기의 제작이 가능하다.
(증폭핵분열탄은 사전폭발에 완전히 면역이다.)
2. 플루토늄-240, 241,242의 붕괴에서 발생하는
차폐하기 어려운 감마선이 무기급 플루토늄에 비해서 많이 발생하여
핵무기 생산과 운용과정에서 신경을 많이 써야 한다.
->>>이건 핵무기 생산과 운용과정에서 사람들의 안전을 더 많이 생각하는 서방의 엄격한 방사선 노출 한계 기준에서
나온 것인데,
이 문제는 법적으로
핵무기 생산/운용 인력의 1년 방사선 노출 한계를 조금 더 늘리는 것으로 대응이 가능하며,
또한 약 0.5cm 두께의 천연우라늄을 플루토늄 코어 바깥에 둘러주면 중성자선을 제외한 방사선의 차폐가 어느 정도 된다.
(0.5cm 두께의 천연우라늄을 두르면 차폐되지 않은
무기급 플루토늄과 유사한
감마선 방출량만 나올것이라 추정된다.)
또한 어차피 무기등급 플루토늄을 처리하는 과정에서도
원격조종 로봇팔 등을 사용하여
작업자를 보호해야하는 과정이 있으므로
무기등급 플루토늄과 원자로등급 플루토늄을 다루는데에는
큰 차이가 없을 수 있다고 한다.
3.플루토늄-238, 240, 241, 242 가
존재할 경우의 열 발생 문제
-->>>이 또한 해결이 가능하다.
역시나 핵무기에 들어가는 플루토늄의 양을 줄이고,
알루미늄으로 만들어 열전도율이 높은 열교(thermal bridge)를 핵무기 설계할때 포함시켜서 해결할 수 있다.
여기에 더해서
이와 같이 핵무기 사용 바로 직전에 핵무기 내에 핵물질을 삽입하는 In-Flight Insertion, 혹은
사용 직전에야 핵무기 스스로 총조립되는
Mechanically Inserted Capsules 방식으로
핵무기를 제작하면 된다.
이렇게 되면 사용 직전에만 핵물질이 삽입되니
열 방출 문제에서 한결 자유로워질 수 있다.
거기에 추가로,
요즘 나오는 최신 폭발물들은 열에 둔감하며
높은 온도에서도 잘 녹지 않는 것들이 있다.
(물론 이러한 조치들에도 불구하고 플루토늄-238 함량이 높다면 한가지 극복할 수 없는 문제가 있는데
바로 플루토늄 금속의 노화이다.)
5. Pu-240, 241, 242 등 Pu-239 외의 불순물이 더 많이 섞여있으므로 임계질량이 늘어나는 문제
->>>여전히 고농축 우라늄보다
원자로급 플루토늄이 임계질량이 낮다고 한다.
원자로급 플루토늄의 임계질량은
무기급 플루토늄과 고농축 우라늄 사이이다.
그렇다면 왜 미국은
원자로급 플루토늄을 무기에 사용하지 않는가?라
묻는다면,
첫째, 미국의 핵무장 초기에는
무기급/원자로급 플루토늄을 분류하는 개념이 없었고,
60년대 중반에야 무기급/원자로급과 같이
플루토늄의 등급을 분류하기 시작했다.
그러나 60년대 중반부터 무기등급 플루토늄 생산량이 급격히 감소하기 시작했는데, 플루토늄 생산용 원자로들이 작동을 중지하기 시작했기 때문이었다.
미국은 이미 충분한 양의 무기급 플루토늄을 가지고 있었고,
굳이 이 무기급 플루토늄 재고에
원자로급 플루토늄을 보충할 필요가 없었기 때문에,
미국의 무기급 플루토늄 생산은 1971년부로 중지되었다.
둘째, 미국의 엄격한 1년 방사선 노출 한계(1년에 5렘)와
ALARA 원칙 때문이었다.
ALARA란 As Low As Resonably Achievable,
그니까 번역하자면 합리적으로 달성 가능한 한 가장 낮게(맞나?)
라는 것으로
최대한 핵무기 제작/운용인력을 보호하는 원칙이다.
셋째, 기존에 무기급 플루토늄을 사용하는 무기에 원자로급 플루토늄을 대신 사용하면 핵실험을 통한 재인증 절차를 거쳐야 하기 때문이다.
결론을 내리자면, 이론상 월성원전에 있는 낮은 연소도(7500MWd/t)의 사용후 핵연료에 들어있는
원자로급 플루토늄부터
일반적인 경수로(월성을 제외한 모든 원전)에서 뽑아낸
아주 높은 연소도(수만 MWd/t)의
사용후 핵연료에서 뽑아낸 원자로급 플루토늄까지 전부
핵무기 제작에 사용이 가능하다.
다만 사전폭발 가능성을 줄이기 위해 적은 양의 핵물질을 필요로 하고, 이는 자연스럽게 핵무기의 위력 감소로 이어진다.
그러니까 원자로급 플루토늄으로 핵무기를 만드려면 위력을
희생해야 한다.
팻맨급 기술력을 사용하면 사전폭발의 가능성이 매우 높으므로, 공극을 추가하는 등 사전폭발의 가능성을 줄이기 위한 많이 어렵진 않은
약간의 추가적인 고려를 한 설계를 필요로 한다.
이러한 설계를 사용하더라도 최종적으로 만들어지는 핵무기의 크기는 1950년대의 미국 핵무기의 그것과
거의 비슷할 것이다.
무기급 플루토늄보다 더 많은 방사선과 열을 발산하는 만큼 이를 반영한 추가적인 설계 또한 필요하다.
그리고 연소도가 높은 사용후 핵연료에서 뽑아낸 원자로급 플루토늄일수록 사전 폭발 가능성이 올라간다.
그리고 이런 사전폭발 문제에서 완벽히 자유로운 증폭 핵분열탄을 제작한다면 핵무기에 들어가는 플루토늄이
원자로급인지 무기급인지는 중요하지 않아진다.
장기적인 핵무기 비축을 목표로 한 무기가 아니라면
(플루토늄-238의 열로 인해
플루토늄이 급속도로 노화되므로)
충분히 어떤 원자로급 플루토늄으로도
핵무기를 제작할 수 있다는게 이 책의 결론이다.
또한 이 책의 결론을 뒷받침하는 증거로
미국이 1962년 당시 영국과 공동으로 진행한 핵실험에서
원자로급 플루토늄
(플루토늄-240함량이 얼마였는지,
위력은 몇 kt이었는지는 기밀, 20kt 미만이라고 알려짐.)
으로 핵무기를 만들어 성공적으로 실험했다.
추정이지만 사용된 플루토늄중
플루토늄 240 함량이 20~23%였을거라고 한다.
그러나까 원자로등급 플루토늄으로
핵무기 설계가 가능하다는 이야기다.
추가로 스웨덴과 파키스탄, 인도가 핵무기를 개발할 당시
원자로등급 플루토늄의 사용을 계획했거나
계획할 수도 있다고 한다.
그러니까 내가 전에 쓴 이 글
이 글에서 내가 주장한 것처럼
원자로급 플루토늄으로 핵무기를 만들기 어렵거나
효율이 떨어진다고 주장했는데
원자로급 플루토늄으로 신뢰성 있는 핵무기를 만드는게
약간 난이도가 올라가긴 하지만
미친듯이 난이도가 올라가진 않는다는 것이다.
안타깝게도 전에 내가 쓴 글을 쓰기 전에
이 책을 읽었더라면 더 정확한 정보를 전달 가능했을 텐데
이 좋은 자료를 이제서야 발견해서 수정함.
잘못된 정보를 전달한게 미안하니 사이버 도게자 박을게...
완장으로 책임지라는 나쁜 말은 ㄴㄴ
- dc official App
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난 이지스함보다 핵이 싸다고 말한적 없을텐데? - dc App
대전 우라늄 글도 쓴적이 없는데? - dc App
갤러리 검색기능에서 내 닉네임 써서 찾아보면 전혀 그런 글 없음. 나 클리너 쓴적 없음. - dc App
5kt급이라도 베이루트 5배 위력이라고 생각하면 차고넘치는 위력이지