수소폭탄

수소폭탄은 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소가 고온·고압 환경에서 핵융합을 일으킬 때 방출되는 막대한 에너지를 이용하는 무기이다. 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 태양 중심부와 같은 초고온 환경이 필요하기 때문에, 일반적인 원자폭탄(핵분열 폭탄)을 기폭제로 사용하여 이 조건을 충족시킨다. 이러한 특성 때문에 '열핵폭탄'이라는 명칭으로도 불린다.

수소폭탄의 핵심 구조는 텔러-울람 설계(Teller-Ulam design)에 기반한다. 이는 다단계 폭발 방식을 취하며 과정은 다음과 같다.

1. 1단계(기폭): 내부에 장착된 원자폭탄이 먼저 폭발하여 강력한 X선과 고온·고압 에너지를 발생시킨다.
2. 2단계(압축 및 융합): 1단계에서 발생한 에너지가 탄각 내부에서 반사되어 핵융합 연료(중수소화 리튬 등)를 압축하고 가열하여 핵융합 반응을 유도한다.
3. 증폭: 핵융합 과정에서 방출되는 고속 중성자가 폭탄 외곽을 감싸고 있는 우라늄-238($^{238}_{~~92}\mathrm{U}$)을 강제로 분열시켜 폭발력을 추가로 증폭시킨다.

이러한 방식을 3F 폭탄(Fission-Fusion-Fission, 분열-융합-분열)이라고도 하며, 이론적으로 폭발력의 한계가 거의 없는 거대 무기를 제작할 수 있게 한다.

수소폭탄은 일반적으로 둥근 원통형이나 회전 타원체 형태의 탄각 내부에 다음과 같은 물질을 배치한다.

• 핵분열 장치: 기폭제 역할을 하는 원자폭탄이다.
• 핵융합 연료: 중수소화 리튬이 주로 사용되며, 중심부에 추가적인 핵분열 반응원인 플루토늄-239($^{239}_{~~94}\mathrm{Pu}$)를 배치하기도 한다.
• 탬퍼(Tamper): 외층을 감싸는 물질로 우라늄-238($^{238}_{~~92}\mathrm{U}$)이 사용된다. 이는 중성자를 반사하고 스스로 분열하여 위력을 높인다.
• 반사재: 방사선을 반사하기 위해 베릴륨(Be), 우라늄, 텅스텐(W) 등이 사용된다.

수소폭탄의 개념은 물리학자 에드워드 텔러와 수학자 스타니스와프 울람에 의해 정립되었다.

• 미국: 1952년 11월 태평양 에네웨타크 환초에서 최초의 수소폭탄 실험인 '아이비 마이크(Ivy Mike)'를 실시하였다. 당시 폭발력은 TNT 1,040만 톤(10.4 MTon)으로 히로시마 원자폭탄의 약 800배에 달했다.
• 소련: 1953년 수소폭탄 개발에 성공하였으며, 1961년에는 인류 역사상 가장 강력한 폭탄인 '차르 봄바(Tsar Bomba)' 실험을 통해 약 50 MTon의 위력을 과시하였다.
• 기타: 영국, 중국, 프랑스 등이 차례로 개발에 성공하였으며, 현재는 W88 핵탄두와 같은 소형화된 3단계 핵폭탄이 실전 배치되어 있다.

수소폭탄은 원자폭탄에 비해 다음과 같은 특징을 가진다.

핵융합 자체는 방사능 부산물이 적어 '깨끗한 폭탄'으로 불리기도 하지만, 실제 수소폭탄은 기폭제인 원자폭탄과 외곽의 우라늄 감싸개 때문에 막대한 양의 방사능 낙진을 발생시킨다.

증폭핵분열탄은 원자폭탄 중심부에 소량의 중수소와 삼중수소를 넣어 핵분열 효율을 높인 무기이다. 이는 수소폭탄의 전 단계로 간주되기도 한다. 일반 원자폭탄보다는 강력하지만, 별도의 2단계 융합 과정을 거치는 본격적인 텔러-울람 설계의 수소폭탄보다는 위력이 약하다.