총형 핵분열무기

Gun-type fission weapon
군집합법

총형 핵분열 무기는 핵분열 기반 핵 무기로, 설계가 "총" 방법을 사용하여 핵분열 물질을 초임계 질량으로 조립하는 것이다. 즉, 서브임계 물질 한 조각을 다른 것으로 발사하는 것이다.비록 이것이 때때로 초임계 구를 만들기 위해 두 개의 서브임계 반구가 함께 운전하는 것으로 그려지지만, 전형적으로 속이 빈 발사체가 그것의 중심에 있는 구멍을 채우는 스파이크에 발사된다.발사체처럼 포탄을 통해 물질을 쏘고 있다는 것을 가리키는 이름이다.

비교적 느린 조립 방법이기 때문에 순수하게 239 동위원소가 아니면 플루토늄을 사용할 수 없다.불순물 없는 플루토늄의 생산은 매우 어렵고 비현실적이다.필요한 우라늄 양은 비교적 많아 전체적인 효율이 상대적으로 낮다.그 주된 이유는 우라늄 금속이 붕괴 설계처럼 압축(그리고 그에 따른 밀도 증가)을 겪지 않기 때문이다.대신에, 총형 폭탄은 매우 많은 양의 우라늄을 축적하여 초임계 질량을 조립하는데, 딸 중성자가 이동해야 하는 전체 거리는 매우 많은 수의 평균 자유 경로를 가지고 있으며, 대부분의 중성자들은 초임계 질량을 벗어나기 전에 충돌할 우라늄 핵들을 발견하게 될 가능성이 매우 높다.

이 방법은 알려진 네 가지 프로그램에 적용되었다.먼저 히로시마 상공에서 폭발한 '리틀보이' 무기와 제2차 세계대전 이후 준비한 같은 디자인의 부대 몇 개와 마크 8 폭탄 40개, 그리고 그 대체품인 마크 11 폭탄 40개 등이다.마크 8과 마크 11 디자인은 모두 지구 관통 폭탄(핵 벙커 버스터 참조)으로 사용하기 위한 것으로, 초기 폭발형 무기가 충돌 후 성공적으로 폭발할 것이라는 확신이 없는 설계자들에 의해 한동안 총형 방식이 선호되었다.두 번째 프로그램은 11인치(280mm) 핵 포탄과 W9 및 그 파생형 W19 제품군, 그리고 16인치(406mm)의 미국 해군 전함인 W23용 포탄에 재포장된 W19 제품군이었다.세 번째 가문은 8인치(203mm) 포탄인 W33이었다.이후 남아공도 총기형 원리에 근거해 6개의 핵폭탄을 개발했고, 같은 기본 설계인 남아프리카와 대량살상무기(WMD)를 이용한 미사일 탄두 개발에 몰두하고 있었다.

현재 알려진 총형 무기는 없다: 핵무기 선진국은 핵폭발형 무기, 핵분열 무기 증강, 그리고 열핵무기에 찬성하여 설계를 포기하는 경향이 있다.새로운 핵무기 국가들은 핵분열과 열핵무기만을 개발하는 경향이 있다.이전에 세계적으로 만들어진 것으로 알려진 총형 핵무기는 모두 해체되었다.

리틀 보이

히로시마에 대항하여 사용된 리틀보이 무기의 내부.우라늄-235는 빨간색으로 표시되어 있다.

'총' 방식은 히로시마 상공에서 폭발한 리틀보이 무기가 우라늄-235를 핵분열 물질로 삼아 어떻게 작동했는가를 대략 말한다.리틀 보이 디자인에서 U-235 '불렛'의 질량은 약 86파운드(39kg)였고, 길이는 7인치(17.8cm), 직경은 6.25인치(15.9cm)이었다.속이 빈 원통형 모양은 그것을 중요하지 않게 만들었다.그것은 무선충전기로 작동되었다.우라늄 목표 스파이크는 약 57.3파운드(26kg)이었다.탄환과 목표물 모두 여러 개의 고리가 함께 쌓여 있었다.

"링"의 사용은 두 가지 장점을 가지고 있었는데, 그것은 더 큰 총알이 자신 있게 하위 중요도(자재가 다른 물질과 너무 많이 접촉하지 않도록 하는 역할을 하는 중공 기둥)를 유지할 수 있었고, 하위 중요도 조립품은 동일한 총알을 사용하되 단 하나의 링으로 시험할 수 있었다.

통의 안쪽 지름은 6.5인치(16.5cm)이었다.길이는 70.8인치(1.8m)로 탄환이 목표물에 닿기 전 초당 약 1,000피트(300m/s)[1]의 최종 속도까지 가속할 수 있었다.

총알이 9.8인치(25cm)의 거리에 있을 때, 그 조합이 중요해진다.이는 일부 자유 중성자가 물질이 완전히 결합되기 전에 연쇄 반응을 일으킬 수 있다는 것을 의미한다(핵 연쇄 반응 참조).

일반적으로 체인 반응은 1μs(100쉐이크) 미만이며, 이 시간 동안 총알은 0.3mm만 이동한다.초임계도가 낮을 때는 연쇄반응이 느리지만, 그 시간에는 총알이 거의 움직이지 않을 정도로 짧은 시간 안에 여전히 일어난다.

이것은 많은 폭발을 일으키기 전에 물질을 폭파시킬 수 있는 지글지글을 유발할 수 있다.따라서 자유 중성자가 발생하는 주파수를 이 시점부터의 조립 시간과 비교하여 낮게 유지하는 것이 중요하다.이는 또한 발사체의 속도가 충분히 높아야 함을 의미한다. 발사체의 속도는 증가될 수 있지만 탄환 미임계 질량의 가속을 높이기 위해서는 더 길고 무거운 배럴 또는 더 높은 추진제 기체의 압력이 필요하다.

리틀보이의 경우 우라늄의 20% U-238은 초당 70회의 자발적 방출이 있었다.초임계상태의 핵분열성 물질로, 각각의 핵분열은 평균 2.52 중성자에 대해 생성되며, 각 핵분열은 1:2.52 이상의 다른 핵분열을 생성할 확률을 가진다.완전 조립 전 초임계 1.35ms 동안 핵분열 확률은 10%로, 핵분열 전 확률이 다소 낮았다.

1944년 7월 실험실은 플루토늄 총형 폭탄("씬맨", 위와 같이)을 버리고 거의 전적으로 붕괴 문제에 초점을 맞췄다.
무기 효과 – 리틀 보이 원자 폭탄 폭발 후 히로시마 폐허

처음에 맨해튼 프로젝트 총기 형태의 노력은 플루토늄을 핵분열 물질의 원천으로 사용하는 총기 무기를 만드는 것이었는데, 그것의 길이가 너무 길기 때문에 "씬 맨"으로 알려져 있다.플루토늄 총형 폭탄이 만들어질 수 있다면 우라늄 총형 폭탄은 비교적으로 매우 쉽게 만들 수 있을 것으로 생각되었다.그러나 1944년 4월 원자로 주조 플루토늄(Pu-239)이 플루토늄의 또 다른 동위원소인 Pu-240에 오염돼 물질의 자발적 중성자 방출 속도가 증가해 사전 도태가 불가피하다는 사실이 밝혀졌다.이 때문에 총형 폭탄은 농축우라늄 연료로만 사용할 수 있는 것으로 생각된다.총알에만 고등급의 플루토늄을 이용한 복합 설계가 가능한지는 알 수 없다.

"씬맨" 프로그램이 성공하지 못할 것이라는 사실이 밝혀진 후, 로스 알라모스는 붕괴형 플루토늄 무기인 "뚱뚱한 남자"를 만드는 데 노력을 기울였다.그 총기 프로그램은 우라늄 폭탄 개발로 완전히 전환되었다.

리틀 보이에서는 80% 등급 U-235의 132파운드(60kg)를 사용했지만(헨체 106파운드 또는 48kg), 최소는 약 44~55파운드(20~25kg), 내분 방법은 33파운드(15kg)이다.

리틀 보이의 목표 미임계 질량은 텅스텐 카바이드(WC)로 만든 중성자 반사체로 둘러싸여 있었다.중성자 반사체의 존재는 연쇄 반응 동안 중성자 손실을 감소시켰고, 따라서 필요한 우라늄 연료의 양을 감소시켰다.더 효과적인 반사 물질은 금속 베릴륨이 될 것이지만, 이것은 테드 테일러가 "Scorpion"으로 알려진 내분 설계를 개발했던 전후까지 알려지지 않았다.

'리틀 보이' 무기를 설계한 과학자들은 전쟁에서 사용하기 전에 디자인을 현장 실험하지 않았을 정도로 성공을 자신했다(루이스 슬롯린과 같은 과학자들은 비록 중요하지 않은 조립품, 용의 꼬리를 간지럽히는 위험한 실험으로 비파괴 실험을 했다).어떤 경우에도, 하나의 기기에 사용할 수 있는 U-235만 충분했기 때문에, 전개되기 전에 테스트할 수 없었다.설계가 검증되지 않았음에도 불구하고 기기가 오작동할 경우 적에게 포착될 위험이 없다고 생각되었다."불타는 소리"라도 장치를 완전히 분해시켰을 것이고, "리틀 보이" 설계에 내장된 다중성은 장치가 폭발하지 않고 지면을 타격할 수 있다면 무시할 수 있다는 것을 의미했다.

적절한 순간에 체인 반응을 빠르게 시작하기 위해 중성자 트리거/이니시에이터가 사용된다.설계가 "목표 캡처"를 사용하는 한([2][1]본질적으로, 한번 함께 발사된 두 개의 미임계 질량이 폭발할 때까지 분리될 수 없도록 보장) 효과적인 총기 설계를 위해 이니시에이터가 엄격히 필요한 것은 아니다.초당 70회의 자발적 연출을 고려하면, 이것은 단지 몇 곱하기 1/70초의 지연을 야기할 뿐, 이 경우에는 문제가 되지 않는다.이니시에이터들은 리틀 보이의 디자인에 늦게 추가되었을 뿐이다.

확산과 테러

테러범들의 확산과 이용 위험과 관련해 상대적으로 단순한 디자인은 다른 방법만큼 미세한 엔지니어링이나 제조를 요구하지 않기 때문에 우려되는 부분이다.고농축 우라늄이 충분할 경우 기술 고도화 수준이 상대적으로 낮은 국가나 집단은 비효율적이지만 여전히 상당히 강력한 총기 형태의 핵무기를 만들 수 있다.

파열법과 비교

총형 방법(위)과 내분형 방법(아래)의 개략도.

기술적으로 진보된 상태에서는 총형 방식이 이제 효율성과 안전성의 이유로 본질적으로 구식이다(위에서 설명).총포형 방식은 핵포병 전문역할에 한 동안 유지되기는 했지만 붕괴기술이 완성되자마자 미국으로부터 크게 버림받았다.영국이나 소련과 같은 다른 핵보유국들은 이런 종류의 무기의 예를 결코 구축하지 않았다.고농축 U-235의 사용을 요구하는 것 외에도, 이 기술은 다른 심각한 한계를 가지고 있다.파열 기술은 무기의 무게를 줄이고 재료의 비중을 증가시키기 위해 사용되는 다양한 방법에 훨씬 더 적합하다.남아프리카공화국은 5개 정도의 총기형 무기를 만들었으며, 붕괴형 무기는 없었다.그들은 나중에 핵무기 계획을 완전히 포기했다.그들은 핵무기를 포기한다는 점에서 독특했고, 아마도 내포형 무기보다는 총형 무기를 만드는 것으로도 볼 수 있을 것이다.

총기형 무기에 대한 안전 문제도 있다.예를 들어 비교적 단순한 사고를 통해 임계 질량을 형성할 수 있는 핵분열 물질의 양과 모양을 담은 무기를 갖는 것은 본질적으로 위험하다.게다가, 만약 무기를 비행기에서 바다로 떨어뜨린다면, 바닷물의 조절 효과 또한 무기가 물리적으로 손상되지 않은 상태에서 치명적인 사고를 일으킬 수 있다.폭발성 렌즈의 정확한 폭발 없이 임계 질량을 형성하기에는 일반적으로 핵분열성 물질이 불충분하기 때문에 붕괴형 무기에서는 둘 다 일어날 수 없다.

미국의 핵 포병

네바다 실험장에서 1953년 핵 포탄 발사체(사진 280㎜ 총과 폭발)를 시험한 업샷-노톨 그라블은 총탄형 포탄을 사용했다.

핵 포탄에도 총포 방식이 적용됐는데, 보다 단순한 설계가 대포에 의해 전달되는 급가속과 g-강도에 견딜 수 있도록 보다 쉽게 설계할 수 있고, 더 작은 직경의 총포형 설계는 기존 포에서 발사할 수 있는 발사체에 비교적 쉽게 장착할 수 있기 때문이다.

1953년 5월 25일 네바다주 시험장에서 미국의 포병형 핵포병기 W9이 시험발사를 받았다.Upshot–Knothole 작전의 일부로 발사되고 코드네임 Shot GRABLE의 일부로 발사된 280mm 포탄이 10,000m에 발사되었고 추정 수율 15킬로톤으로 지상 160m 상공에서 폭발했다.이것은 비록 W9가 리틀 보이의 무게의 10분의 1 이하(365 kg 대 4,000 kg 또는 805 lbs 대 8,819 lbs)를 가졌지만 리틀 보이와 거의 같은 수확량이다.그 포탄의 길이는 1,384mm이었다.

이것은 미국의 시험 프로그램에서 실제로 (포에서) 발사된 유일한 핵 포탄이었다.그것은 '아토믹 애니'라는 별명을 가진 특수 제작된 포탄에서 발사되었다.1952-53년에 80개의 포탄이 생산되었다.1957년에 은퇴했다.

W19는 또한 280mm의 포탄형 핵탄으로, W-9의 긴 버전이었다.80개의 탄두가 생산되었고 그 시스템은 1963년에 폐기되었다.

W33은 더 작은 8인치(203mm)의 포탄으로 1957년부터 1992년까지 사용됐다.두 발은 시험 발사(방탄, 포탄에 발사되지 않음), 한 발은 야외의 풍선 아래에 걸리고 한 발은 터널에 매달렸다.[3]

후기 버전은 내포 설계에 기초했다.

미국의 총기 종류 무기 목록

폭탄

포병

  • 1952-1957년 W9
  • W19, 1955-1963년
  • 1956-1962년 23원
  • W33, 1957-1992년

다른이들

참조

  1. ^ a b "Elements of Fission Weapon Design", Nuclear Weapons Frequently Asked Questions, nuclearweaponarchive.org
  2. ^ "The First Nuclear Weapons: Little Boy". 2015-03-15. Archived from the original on March 15, 2015. Retrieved 2015-12-30.
  3. ^ Nougat 운영 사이트, Carey Sublette(2005).

외부 링크