4. 핵폭탄의 원리 : 핵분열과 핵융합
(4-1) 핵분열과 원자폭탄
핵폭탄의 원리야 다들 아시겠지만 그래도 간단히 설명해 보자면, 핵폭탄은 E=mc^2이라는 아인슈타인의 상대성 원리에서 나온 질량-에너지 등가 원리를 무기로 구현한 것이다. E는 에너지. m은 질량, c는 광속이다. 에너지와 질량은 같은 개념이란 뜻이다.
| ※ 질량-에너지 등가 원리로 검색하시는 분이 많아서 설명을 조금만 더 하면요. 수학에서 등호를 가운데 두고서 만들어진 수식은 서로 교환이 가능합니다. 예를 들어서 A=CB 라는 식이 있다면요. B=A÷C이고요. C=A÷B가 되죠. 이론적으로 서로 같은 선상에서 움직이는 개념이 되기 때문에 E=mc²이 옳다면 m과 E는 서로 변환이 되는 같은 가치라는 게 되어서 핵폭탄으로 이어진 겁니다. 참고로 질량이 에너지라는 개념은 중력을 설명하려는 분야에서도 사용됩니다. |
핵무기에 쓰이는 우라늄은 불안정해서 쉽게 '원자핵이 쪼개지는 현상', 즉 핵분열을 일으킬 수 있다. 핵분열이 일어나면 우라늄의 질량의 극히 일부분이 에너지로 변해서 방출된다. 이렇게 핵분열로 질량을 에너지화 하는 폭탄을, 원자폭탄(Atomic bomb, A-bomb)이라고 부른다.
히로시마에 떨어졌던 리틀 보이는 농축 우라늄 64kg을 탑재하고 있었는데, 그 중 고작 0.7g의 질량이 에너지로 변환됐다. 그 위력은 15킬로톤의 폭발력.
이미지 출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_bombings_of_Hiroshima_and_Nagasaki
최초로 투하된 원자폭탄인 리틀 보이(좌)와
거의 모든 건물이 파괴되어 평지로 변한 히로시마 도심(우)
참고로 핵폭탄 이전의 재래식 폭탄 중 가장 강력하다고 했던 미국의 '모든 폭탄의 어머니(MOAB)'가 11톤의 위력이고, 그에 대항한 소련의 '모든 폭탄의 아버지(FOAB)'가 44톤의 위력이다. 현재의 핵폭탄에 비해서 너무나 약해보이는 리틀 보이의 15킬로톤은 MOAB의 1000배가 훌쩍 넘는 위력인 것이다.
일반 미사일과 비교해 보면 어떨까? 유명한 미사일인 사이드와인더 안의 폭약은 고작 TNT 2~4kg 정도라고 한다. 잠수함에서 멋드러지게 수직 발사되는 하푼 순항미사일의 탄두도 200kg을 조금 넘는 수준이다. 참고로 현재의 '핵분열' 무기의 평균 위력은 약 500킬로톤 정도라고 한다.
(4-2) 핵융합과 수소폭탄
핵융합은 저 멀리 태양이 빛나고 있는 원리이다. 중수소와 삼중수소가 융합해서 헬륨과 중성자로 변한다. 이때 두 원자의 결합 에너지 차이와 질량 결손으로 에너지가 방출되는 게 수소 핵융합 폭발이다. 이 원리를 응용해서 만든 폭탄이 수소폭탄(Hydrogen bomb, H-bomb)인데, 보통은 원자폭탄(A-bomb)과 똑같이 그냥 핵폭탄이라고 부른다. 오늘날의 전략 핵무기는 보통 수소폭탄이다.
핵융합의 폭발력은 핵분열을 압도한다. 현재 존재하는 수소폭탄의 평균 위력은 TNT 10만~50만 톤 수준이라고 한다. 이것은 핵무기를 줄이자고 합의한 이후에 지속적으로 줄여나갔기 때문에 약해진 위력이며, 본래 1메가톤(100만 톤)이란 단위가 수소 폭탄을 상징하는 위력이라고 볼 수 있다.
수소폭탄이라고 하면 늘 떠오르는 바벨 2세의 한 장면.
로프로스...ㅠ_ㅠ
1부에서 언급했듯, 역사상 가장 강력했던 소련의 수소폭탄인 RDS-220 차르 봄바가 50~58메가톤의 위력을 가졌다고 평가된다. 무려 TNT 5000만~6000만 톤의 위력이다. 아래에는 이번 연재에서 언급한 폭탄의 위력을 비교해 보겠다.
| MK3 | 수류탄 | 227g | | | 사이드와인더 | 공대공 미사일 | 2~4kg | | | 헬파이어 | 공대지 미사일 | 4kg | 아파치 공격 헬기로 대표되는 미사일 | | AGM-65 Maverick | 공대지 미사일 | 50kg 이상 | F-16 등에서 지상 목표를 타격하는 대표적 미사일. | | 하푼 | 순항 미사일 | 221kg(탄두) | 순수한 폭약 무게가 아닌 탄두 무게임을 참고. | | GBU-31 JDAM | 재래식 폭탄 | 429kg | 미국의 3번째로 강한 Mk 84급 폭탄. | | GBU-43/B MOAB | 재래식 폭탄 | 11톤 | 미국 최강의 재래식 폭탄 | | ATBIP FOAB | 재래식 폭탄 | 44톤 | 재래식 폭탄 사상 최강 규모. | | | 핵배낭 | 휴대용 핵 | 10톤 | 배낭 형태의 병사 휴대용 핵. | | 전술핵 | 원자폭탄 | 100톤~1만 톤 범위 | 일부러 약하게 만든 핵. | | 리틀보이 | 원자폭탄 | 15킬로톤 | 히로시마 투하 원폭 | | 팻맨 | 원자폭탄 | 21킬로톤 | 나가사키 투하 원폭 | | 원자폭탄 | 원자폭탄 | 500킬로톤(평균) | | | | B-83 | 수소폭탄 | 1.2메가톤 | 현재 미국이 보유한 최강 핵 | | DF-5 | 수소폭탄 | 4~5메가톤 | 중국 최강 핵(추정치) | | RDS-220 차르 봄바 | 수소폭탄 | 50~58메가톤 | 인류 역사상 최강 핵. |
※ 다소 오차가 있을 수도 있는데 밀리터리 설정 자료가 아니니 양해 바랍니다.
5. 핵폭탄은 산을 날릴 수 있을까?
폭탄의 위력을 TNT 무게로 보는 건 상대적인 비교는 되지만 일반인인 우리에겐 별로 감이 안 온다. 혹시 군대에서 수류탄 사고가 나는 걸 실제로 보신 분도 계실 텐데, 엄청난 높이의 흙먼지가 올라가면서 산을 뒤흔드는 굉음이 퍼지는 게 TNT 300g도 되지 않는 수류탄의 위력이다. 영화에서 F-16 전투기가 지상 타겟을 향해 쏘는 강력한 공대지 미사일도 고작 TNT 50kg 수준이다. 웬만한 목표는 한 방에 날려버린다.
실제 쓰인 원자폭탄을 보자. 히로시마에 떨어진 리틀 보이(Little Boy)가 15킬로톤, 나가사키에 떨어진 팻맨(Fat Man)의 위력은 21킬로톤이었는데, 후자는 1마일(1.6km) 안의 모든 걸 날려버렸다. 1메가톤급 수소폭탄의 48분의 1의 위력이다.
이미지 출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_bombings_of_Hiroshima_and_Nagasaki
히로시마 원폭 투하 전과 투하 후의 비교 사진.
도심이 평지로 변했다.
나가사키 원폭 투하 전후의 사진.
아래 사진 역시 빈 게 아니라 폭발로 모든 게 사라진 것이다.
하지만 현실 무기를 판타지물과 비교하긴 또 애매하다. 그런 의미에서 '산'은 참 좋은 전투력 측정기인 것 같다. 산을 부수고 바다를 가른다라는 표현을 주인공이 몸소 행할 때가 많으니 말이다.
필자가 지질학자도 아니고 물리학자도 아니라서 정확한 계산을 시도해 볼 수는 없겠으나, 예전에 찾아봤던 한 자료에 의하면 약 600m 정도의 작은 산을 제대로 부수기 위해서는 대략 10메가톤 수준의 폭발력이 필요하다는 글을 본 적이 있다. 이 조건은 산의 모양이나 지질학적 구성에 따라서 오차가 생긴다.
이미지 출처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B4%80%EC%95%85%EC%82%B0
관악산. 632m.
600m의 산이란 예시로 참 좋은 규모이다. 서울의 관악산의 높이가 약 632m이고, 북한산의 높이가 약 835m이니 대략 예상이 가실 것이다. 이 규모의 산을 증발까진 아니어도 '박살'을 내려면 1메가톤급 핵폭탄의 10배 위력이 필요하다. 10메가톤. 히로시마급 핵폭탄의 667배의 위력이다.
그런 의미에서 보면 사실 21세기 군대의 무기는 지형을 팍팍 바꿀 정도의 위력은 거의 없다. 핵폭탄도 '건물'과 '인간' 들을 쓸어버리는 거지, 대지에 무슨 거대 운석이 떨어진 것 같은 엄청나게 깊은 크레이터를 만드는 건 아니다. 당연히 산도 못 부순다.
이런 점에서 볼 때 웹소설의 작가들은 주인공이 발휘하는 마법이나 맨주먹이 얼마나 강력한지 생각을 잘 안 하고 있단 걸 알 수 있다. 산과 대지를 뒤집어 버리는 수준의 위력 묘사는 매우 자주 등장하는데, 이것 한 방 한 방이 핵폭탄과 비견될 만한 위력이다. 그러면서 '현대 지구의 강력한 무기'인 핵폭탄이 주인공이 평소 쓰는 기술에 비해 엄청나게 강력한 파괴력을 지니고 있단 설명은 뭐랄까. 일종의 현대인 천재론의 연장에 가깝다.
※ 물론 지향성 공격인 맨주먹이나 투사(投射) 계열 공격과, 전방위 확산인 폭탄의 '집중도' 차이는 감안해야 한다. 하지만 그렇다 하더라도...
600m 산을 박살내는 데에 10메가톤이 필요한데, 약한 전술핵은 고작 100톤이다. 미사일이 5kg~100kg 정도? 무협 주인공의 주먹은 이미 현대 폭탄의 위력을 넘어섰고, 강력한 필살기나 주문은 한 방 한 방이 핵폭탄과 비교되어야 한다. 일반적으로 묘사되는 '파이어볼'도 최소한 미사일과 비교되어야 한다.
요즘 웹소설 기준으론 현대 병기의 위력은 마법보다 그렇게 강하진 않다. 단지 물리 법칙을 어떻게 효과적으로 응용하는지, 양산이 가능한지, 누구나 손에 쥐면 쉽게 쓸 수 있는지 같은 부분은 확실한 강점이지만. 옛날과 비교해 보면 웹소설 주인공들은 지나치게 강력해진 면이 있다. 현대 헌터물의 작중 초반조차도 말이다.
6. 마치며...
웹소설에서 '전술핵' 용어가 너무 자주 잘못 쓰이는 걸 계속 읽다가 여기까지 썼다. '전술핵'이란 특별히 약한 핵을 말한다. '전술 병기' 등의 용어도 꽤 자주 잘못 쓰인다.
처음에 얘기했지만, 한국 판타지 소설은 전세계 창작물 중에서 가장 주인공을 강력하게 만드는 이야기인 것 같다. 그 대부분의 골인 지점이 '신(God)'인 것도 그렇고 말이다. 마법의 위력과 무공의 위력도 엄청나게 강력하게 묘사되는데, 사실상 한 방 한 방이 전략 핵무기를 상회하는 경우를 꽤 흔하게 찾아 볼 수 있다. 솔직히 필자는 주인공들의 '옷'이 전투에서 그렇게 버틸 수 있단 게 늘 놀랍다.
이번 연재에서 핵무기의 위력을 폭발력을 위주로 이야기했지만, 실제로는 방사능 오염 등 골치 아픈 문제가 남기 때문에, 폭발 자체보다도 훨씬 강력하고 더러운 무기이다. 아마 오염이 없었다면 약한 핵은 꽤 자주 쓰였을지도 모른다.
조금 다른 이야기인데, 대규모 핵 전쟁이 어떤 결과를 초래할지 현재로선 잘 모른다고 한다. 흔히 '핵 겨울', '핵 가을' 등의 인류 멸망 시나리오를 말하는데, 현재의 과학자들은 그럴 확률은 적다고 예측하고 있다. 하지만 역사적으로 대규모 화산 폭발이 지구의 전체 기온을 떨어트린 사례는 실존하고, 현재의 과학과 기상학 수준에선 그런 변화를 제대로 예측하지 못한다고 한다. 그래서 핵 멸망 가설이 계속 존재하고 논쟁이 벌어지는 것이다. 결론적으로 대규모 핵전쟁이 나면 어떻게 될지 아직 잘 모른다. 세상이 멸망하는지 여부와 별개로, 그런 일은 일어나지 않는 게 제일 좋다.
아무튼 뭐 이런 설정을 정확히 따지면서 소설을 쓰기도 힘든 것이겠으나, 상식선에서 어떤 위력이 어느 수준이란 것 정도는 한 번쯤 생각해 볼 수 있으면 좋겠다. 일단 건물을 박살내는 수준이라면 현대에서도 굉장히 강력한 병기의 위력이다. 그리고 '전술'이란 용어는 이제 좀 그만 잘못 쓰이면 좋겠다.
부록. 핵폭탄이 떨어진다면?
마지막으로 필자가 어렸을 때는 냉전 시대이기도 했고 북한도 있다 보니 집에서 많이 교육받았던 내용인데, 핵폭발은 크게 3단계 과정을 겪는다. 어느 정도 멀리 떨어져 있을 때 운이 좋으면 살아남을 수도 있다.
먼저 그냥은 허전하니 그림을 곁들여 보겠다. 도시 상공에 핵 미사일이 날아온다.
당연하지만 폭발 직전에는 뭘 할 수 있는 시간도 방법도 없다.
특히 근거리에선.
① 폭발과 열복사
핵이 처음 터질 때 엄청난 충격파와 복사열을 방출한다. 이 빛에 노출되면 그대로 증발해서 사라지거나 심각한 화상을 입는다. 핵의 위력에 따라 다르겠지만 폭심지의 화구에 소멸되지 않아도, 반경 5~10km 안에 있는 건 전부 불탄다고 보면 된다.
훨씬 멀리 떨어져 있어도 최악의 경우 완전히 실명하고, 몇 시간에서 몇 분 정도까지 단기적으로 눈이 멀 수 있으니 절대 폭심지의 빛을 바라보면 안 된다. 살 수 있어도 앞이 안 보여서 버둥대다 죽게 될 수 있다.
이후 충격파가 퍼져나가는데, 굉장히 멀리 떨어져 있다고 해도 멍하게 창문으로 구경하면 안 된다. 몇 초에서 수십 초 후 충격파가 전달되며 유리창이 전부 깨지면서 뒤집어 쓰게 된다. 핵폭발을 구경하지 말고 피해야 한다.
멀리서 핵이 터진 것 같으면 가능하면 지하라든가 두꺼운 엄폐물, 튼튼한 건물, 어디 도랑 같은 곳으로라도 굴러 떨어져서 몸을 바짝 낮춰서 귀를 막고 엎드린다. 두껍고 밀도가 높은 벽 뒤에 있어야 벽을 뚫고 나오는 방사선을 덜 맞을 수 있다. 건물일 경우 개방되지 않은 실내 한 가운데가 좋다.
실제 핵이 떨어질 때 우연히 깊숙한 도랑에 굴러 떨어져서 살아남은 사람의 이야기를 어렸을 때 많이 들었다. 신뢰도 있는 출처를 통해 실화인지 확인해 보진 못했지만, 평지보단 깊은 도랑 같은 곳이 생존할 확률이 높긴 하다. 물론 가까우면 그냥 증발하니 의미가 없는 얘기지만.
② 열폭풍과 후폭풍
폭풍이 범위는 더욱 넓으니 맵 크기를 2배로 늘렸다. 대충 15~20km 정도를 상상해 봤다.
충격파를 뒤따라서, 폭발하는 힘이 근처의 공기를 초음속을 돌파하는 속도로 밀어낸다. 근거리에선 토네이도를 능가하는 엄청난 위력의 열폭풍이 몰아친다.
근거리에서는 건물이 종잇장처럼 찌부러지면서 소멸하고, 강철 구조물이 구부러지거나 찢어진다. 자동차 같은 건 낙엽처럼 날아다닌다. 튼튼한 건물에서 기도하는 것 말고는 방법이 없다. 그래서 지하가 좋다.
주위를 빨아들이면서 모인 폭풍과 먼지 구름, 상승기류, 그리고 온도로 인한 상승이 버섯구름을 만들어낸다.
폭풍이 멎은 것 같을 때 방심하면 안 된다. 폭발로 진공 상태가 된 중심부를 채우기 위해서 반대방향으로 다시 한 번 후폭풍이 몰아친다. 후폭풍은 도시의 화재와 함께 화염 폭풍으로 변할 수 있다. 처음에 지하나 하수도로 떨어졌다면 마음이 편하다.
첫 폭풍이 멎은 직후, 멀리 떨어져 있다면 대피할 시간이 있다고 생각할 수 있는데, 몇 초 안에 방공호로 뛰어 들어갈 수 있는 게 아니면 그냥 반대 방향의 화염폭풍 대비나 잘 하자.
③ 방사능 낙진 대비
폭풍 후 잠시 텀을 두고서 하늘에서 방사능 낙진이 떨어진다. 폭풍이 멎을 때까지 멀쩡히 살아남았으면, 실내에 있을 경우 집의 이런 저런 틈새를 잘 막고서 안전을 확보하고, 야외의 경우 방공호 등에 들어가서 낙진을 피하자. 낙진을 맞지 않게 방비하자. 맞으면 매우 천천히 고통스럽게 죽을 수 있다.
가장 좋은 건 대피 안내를 받거나 구조대를 만나는 거지만, 전시(戰時)일 경우 그런 게 올지 안 올지 애매하다. 안 올 것 같으면 온몸을 둘둘 둘러싸고 피난을 가자. 바람 반대 방향으로! 이 낙진은 몇 주 동안 아주 멀리까지 퍼질 수 있다. 계절풍의 방향을 염두에 두자. 비가 내리면 방사능 비니까 맞으면 안 된다.
폭심지에 있을 경우 어차피 순간적으로 증발하고, 수 킬로미터 안에 있을 경우 이후의 과정에서 대부분 죽게 된다. 하지만 더 멀리 떨어져 있을 경우 핵에 대한 상식(?)을 알면 생존률이 오른다고 한다.
물론 살아남더라도 화상 뿐 아니라 (당장 멀쩡해 보여도) 방사선에 피폭되었기 때문에 바로 치료를 받아야 한다. 치료를 받더라도 살 수 있을지는 알 수 없으며, 살더라도 평생 암 등에 시달릴 확률이 높다. 다시마에 요오드가 많으니 대피할 때 집에 있으면 갖고 가자. 없는 것보단 낫겠지.
정말 자라면서 수십 번은 들었던 핵 대비책이다. 나름의 추억이다.
참고로 핵 폭발의 세 단계 과정 중에서 방사능 낙진을 제외한 ①과 ②는, 사실 마법으로 대폭발을 일으켜도 똑같은 현상이 발생할 수 있다. 폭발로 인한 물리현상이기 때문이다.
이런 의미에서 보면 웹소설의 마법은 대폭발이 불러일으키는 물리 현상을 과소평가하는 경향이 있다. 산을 날렸으면 그 한 방으로 일대에 엄청난 충격파가 퍼지고 대폭풍이 몰아쳐야 한다. 방어 마법으로 직접적인 폭발의 피해를 막아냈다고 해도 그 후에 몰려올 폭풍을 창과 칼을 든 군대가 버틸 수 있을까? |
