북한이 핵(核)무기를 보유하고 있는지 없는지가 여전히 국제사회의 이슈가 되고 있다. 미국은 북한이 핵무기를 보유하고 있다는 의심으로 경제적 제재를 가하고 있고, 북한은 핵실험을 했다는 주장을 내놓고 있다.
 
도대체 핵무기가 얼마나 무서운 무기이기에, 또 핵무기의 보유가 한 국가의 전력(戰力)에 얼마만한 도움이 되기에 전 세계가 호들갑을 떠는지 궁금하기 짝이 없다. 외국에서 한국을 바라보는 시각은 ‘아직도 전쟁 중인 나라’ ‘핵무기를 보유했다는 강한 의심이 드는 나라를 적대적인 이웃으로 두고 있는 나라’라는 이미지가 없지 않다.
 
실제로 북한은 2006년 10월9일 핵실험을 실시했다고 주장했었다.
 
◇ 핵무기 실제사용은 2차 대전 때 단 두 번

사실 핵무기가 실제 전쟁에 쓰인 것은 2차 세계대전 때뿐이다. 인류는 그 단 한 번(실제로는 두 번이지만)의 핵무기 사용으로 더 이상은 핵무기를 사용해서는 안된다는 교훈을 얻었다. 그러나 그것이 곧 핵무기를 개발해서는 안된다는 의미는 아니었다.
 
전 세계적으로 핵보유국은 미국, 러시아(구 소련), 영국, 프랑스, 중국 등이다. 여기에 인디아(인도), 파키스탄이 뛰어들었고, 최근에는 북한도 핵을 갖고 있다는 의심을 받고 있다. 핵무기의 종류와 역사에 대해 알아본다.
 

▲ 물의 분자구조 그림. 수소원자 2개와 산소원자 1개가 서로 전자를 공유해 결합한다.     © 유통데일리

 
핵무기(核)는 핵분열이나 핵융합에서 발생하는 방대한 에너지를 이용하는 무기의 총칭이다. 때로는 원자탄(무기)이라고도 하지만, 핵무기가 더 정확한 표현이다.
 
핵무기가 실제 전쟁에 사용된 것은 단 두 번뿐이다. 미국은 2차 세계대전을 끝내기 위해 1945년 8월6일 일본 히로시마에 우라늄235 폭탄인 ‘리틀 보이(Little Boy)’를, 사흘 후인 9일 나가사키에 플루토늄239 폭탄인 ‘팻 맨(Fat Man)’을 떨어트렸다.
 
◇ 핵분열과 핵융합 이용하는 두 가지 방법 있어
핵무기는 간단하게 분류하면 핵분열을 이용하는 방법과 핵융합을 이용하는 두 가지 방법이 있다. 여기서는 일반적인 핵분열과정을 이용하는 핵무기를 핵폭탄, 핵융합반응을 이용하는 핵무기를 수소(열핵)폭탄으로 구분한다.
 
핵폭탄은 우라늄, 플루토늄 등 원자량이 무거운 원소가 핵분열하면서 발생하는 에너지를 이용한다. 원래 돌턴(1766.9.6~1844.7.27)이 원자설을 주창한 이래, 물질의 가장 기본적인 단위는 원자(Atom)였고, 이는 더 이상 분열되지 않는다는 의미였다.
 
이후 숱한 과학적 실험으로 물질의 기본인 원자구조가 밝혀지기 시작한다.

원자는 핵과 핵 주위를 도는 전자로 이뤄져 있으며, 핵 내부는 양성자 중성자가 있다는 사실이 톰슨 등의 실험으로 밝혀진다. 전자는 전기적으로 마이너스(-)이며, 양성자는 전기적으로 플러스(+)다. 중성자는 말 그대로 전기적으로 중성이다.

일반적인 화학결합은 물질이 대부분 원자상태에서 전자와 전자를 공유하면서 일어난다. 대표적인 것이 물이다. 물은 수소원자 2개와 산소원자 1개가 서로 전자를 공유하면서 결합한 화합물이다.
이때까지만 해도 원자, 엄밀히 말하면 핵은 깨트릴 수 없는 것으로 알려졌다.
 

▲ 물질의 기본구조인 원자구조에 대한 가설들. 처음에는 그냥 작은 알갱이로 생각했으나, 과학기술의 발전에 힘입어 물질내부구조가 밝혀졌다. 과학자들은 물질의 기본입자를 찾기 위해 지금도 노력하고 있다.     © 유통데일리

 
그러나 우라늄 등은 자연 상태에서도 원자-엄밀히 말하면 원자 안에 들어있는 ‘핵’이-가 분열하면서 다른 물질인 납 등으로 변한다는 사실이 알려진다. 사실 핵폭탄의 원료로는 어떤 물질이든지 상관없지만 굳이 우라늄이나 플루토늄 등을 사용하는 것은 이 물질들이 인위적으로 핵분열을 시키기 쉽고, 핵분열을 할 때 발생하는 에너지가 크기 때문이다.
 
하여간 최초의 핵 실험은 1945년 7월16일 미국이 뉴멕시코주 알라모고도(Alamogordo) 서북쪽 60마일 지점에서 트리니티 테스트라는 이름으로 실시한다. 흔히들 아인슈타인이 핵무기를 개발했다고 알려지지만, 실제 핵무기개발자는 오펜하이머다.
 
존 로버트 오펜하이머(John Robert Oppenheimer 1904년 4월22일~1967년 2월18일)는 1942년 8월 미육군이 핵에너지를 군사적 목적에 이용하려 하자, 영국과 미국 물리학자들의 공동연구를 조직할 책임을 맡아 결국은 핵무기 개발에 성공한다.
 
최초의 핵실험에 있었던 핵무기의 방사 화학적 분석결과 18.6킬로톤 정도의 위력을 낸 것으로 알려지고 있다.
 
 
◇ 더 강한 무기를 찾아서-수소폭탄의 개발
핵폭탄의 위력은 Kt(킬로톤)을 사용한다. 1 Kt은 티엔티(TNT) 1000톤을 폭발시켰을 때의 폭발력을 말한다. 이에 비해 수소폭탄의 폭발량은 TNT 100만톤을 폭발시켰을 때의 폭발력인 Mt(메가톤)을 주로 쓴다.

▲ 핵분열을 이용하는 핵폭탄의 기본 구조도.     ©유통데일리

 
이는, 수소폭탄은 일반적인 핵폭탄보다 위력이 백배이상 크다는 것을 의미한다.
최초의 수소폭탄은 미국이 개발했다. 에드워드 텔러를 중심으로 한 미국 과학자들은 1952년 11월1일 에네베택 환초에서 습식 수소폭탄 실험에 성공한다. 소련은 1953년 8월12일 건식수소폭탄을 실험했고, 영국은 1957년 5월에 성공한다.
 
중국은 1967년, 프랑스는 1968년 각각 수소폭탄 개발에 성공한다. 1953년 소련의 건식 수소폭탄 ‘차르’는 지금까지 실험 중 최대 규모인 58메가톤급인 것으로 알려지고 있다.

이 수소폭탄은 열핵폭탄이라고도 한다. 이는 핵폭탄이 핵분열을 일으키는 것과 반대로 핵융합으로 막대한 열을 발생시키기 때문이다.
 
◇ 수소폭탄의 핵융합 과정과 원리
일반적으로 원자핵은 양(+)전하를 띠고 있어 핵끼리는 서로를 밀쳐낸다. 따라서 핵은 가까이 모이지 않지만, 수백만도의 높은 온도에서는 막대한 운동 에너지로 전기적인 반발력을 이겨내고 서로 가까이 접근한다. 이렇게 접근한 핵은 핵의 인력(핵력 核力)으로 결합한다. 열핵폭탄을 수소폭탄이라고들 하는 이유는 수소원자의 핵이 양전하량이 작아 가까이 모이기 쉬워 핵융합 반응에 가장 적합하기 때문이다.
 

▲ 수소폭탄의 작동원리. 인공적으로 고온고압 환경을 만들기 위해 핵분열 에너지를 이용한다.     © 유통데일리

 
수소 원자핵들이 결합해 더 무거운 헬륨핵이 될 때, 질량의 일부(약 0.63％)를 잃는다. 이 잃어버린 질량은 아이슈타인의 상대성원리에 따른 에너지로 변환한다. 이 에너지가 바로 수소폭탄의 폭발력이 된다.
 
수소폭탄을 핵폭탄의 범주에 집어넣는 것은 핵을 이용한다는 것도 있지만, 핵융합에 필요한 고온 고압을 인공적으로 조성하기 위해 핵폭탄을 일종의 뇌관으로 사용하기 때문이기도 하다.
핵분열에서 발생한 엄청난 열이 융합반응을 일으키고 그 결과로 일어나는 폭발 때문에 우라늄 용기가 떨어져 나가면서 분열한다. 우라늄용기는 분열하면서 에너지를 발생하는데, 전체 폭발력을 증가시킨다.
 
중성자탄도 열핵폭탄의 일종으로 기본 구조와 폭발반응은 수소폭탄과 같다. 다만 중성자탄은 우라늄 용기가 없어서 낙진이 적게 생긴다. 중성자탄은 핵 내부의 중성자가 외부로 쏟아져 나온다. 이 중성자는 건물 등을 파괴하지는 않지만, 생명체만 죽이는 제한적인 살상력을 지니고 있다.
 
 
◇ 전술핵무기와 전략핵무기

▲ 비키니라는 수영복 이름은 핵폭탄만큼 위력이 있다는 것에서 유래됐다. 핵실험을 한 곳이 비키니라는 섬이었다.     © 유통데일리

일반적으로 전술핵은 위력이 수 Kt(킬로톤) 이내인 핵무기를 말한다. 재래식 대포로 발사할 수 있는 최초의 전술핵은 미국이 1950년부터 개발을 시작해 1953년 5월25일 첫 발사실험에 성공했다. ‘Mk9’이라는 전술핵은 280㎜ 직사포로 발사할 수 있다.
 
전술핵은 제한된 위력으로 개별적인 전장에서 사용할 수 있도록 한 무기다.
 
반면, 전략핵은 개개의 전장이 아닌 적의 영토 혹은 국가기반을 파괴할 목적으로 사용한다. 대표적인 것으로 핵탄두를 탑재한 대륙간 탄도탄(ICBM) 미사일, 잠수함 발사 탄도탄(SLBM) 미사일 등이 바로 그것이다.
 
사족을 붙이자면, 교육과학기술부와 국가핵융합연구소가 지난 7월15일 대덕연구단지내 핵융합연구소에서 시연행사를 가진 것이 바로 수소폭탄의 폭발력을 이용했다는 의미다. 원자력발전소가 핵분열(한꺼번에 에너지를 쏟아내는 것이 바로 핵폭탄이다)을 인위적으로 조절해 에너지를 얻는 것처럼, 핵융합도 수소폭탄의 반응과정을 조절해 에너지를 얻는다는 의미다.
 
핵융합반응은 태양이 빛을 내는 원리이기도 하다. 그러나 고온고압이 아닌 상온에서 핵융합에 성공한 사례는 아직 없다. 만약 성공하기만 한다면, 상온 핵융합은 원료인 수소(바닷물에 가득하다)가 무궁무진하므로 모든 에너지 걱정을 한 방에 날려버릴 것이다.
 
이래서 우리나라를 포함한 전 세계가 핵융합반응에 목을 거는 이유이기도 하다.
 
김영수 기자 kys@yutongdaily.com