1. 개요
원자폭탄은 대량 살상무기로, 위력 단위는 일정 중량의 TNT가 폭발하면서 방출하는 에너지량으로 환산한다. 즉 1kt라고 하면 TNT 1천 톤을, 1Mt급이라고 하면 TNT 100만 톤을 한번에 폭발시킨 정도의 위력.[1]당연하지만 위력이 엄청나다. 전략 핵탄두[2]는 대개 TNT 500 kt, 즉 고성능 폭약 50만 톤에 해당하는 위력을 가진다. 참고로 히로시마에 떨어진 리틀 보이의 위력이 16 kt, 나가사키에 떨어진 팻 맨은 21 kt 정도. 세상에서 가장 강력했던 핵폭탄인 차르 봄바는 50 Mt[3]이다. 현재 수십메가톤급의 핵폭탄은 전부 해체되었으며 현용 핵폭탄중 가장 강한 위력을 가진 핵폭탄은 1Mt을 좀 넘어서는 위력이다.[4]
화산폭발이나 지진 등의 자연재해의 규모를 설명할 때 핵폭탄의 몇백 배, 몇천 배 하다보니 의외로 약하게 느껴질 수도 있다. 다만 저렇게 인용되는 계산의 대부분은 인류 최초의 핵실험인 트리니티 실험이나, 두 번째 핵폭탄이자 처음으로 실전에 사용된 히로시마 원폭의 15~20 kt을 기준으로 해서 나온 수치다. 비유하자면 오늘날 계산기나 스마트폰보다 한참 느린 에니악을 컴퓨터 성능의 기준으로 잡은 꼴이다. 1961년 차르 봄바가 이미 히로시마 원폭의 3천 배가 넘는 50 Mt였으며 이것도 원래 설계했던 100 Mt에서 낙진과 조종사의 생환을 고려해 절반으로 줄인 것이다. 60년이 넘게 지난 지금 기술력으로는 수백 Mt의 수소폭탄을 만드는 것도 층분히 가능하다. 반면 터키 지진에서 모멘트 규모 7.8인 1차 강진의 TNT 해당량이 3 Mt 정도 되고 통가 화산의 폭발력이 NASA 계산에 의하면 5~30 Mt 정도다.
위력이 크다면 무조건 수소폭탄으로만 보는 경향이 있다. 물론 이게 거짓은 아니지만, 위력이 크고 핵융합에서 나오는 에너지가 핵분열에서 나오는 에너지보다 크면 수소폭탄이라고 부른다. 그와 반대로 핵분열에서 나오는 에너지가 핵융합에서 나오는 에너지보다 크면 3F 폭탄이라고 칭한다. 3F 폭탄은 크고 아름다운 원자폭탄이라고 봐도 무방할 정도로 방사능 양이 막대하다.
2. 사용 현황
미국에서는 이것을 화포용으로 만들려고 시도했고 실제로 실전배치까지 되었다. 그리고 이것을 시험한 영상이 동영상으로 자주 보는(집과 자동차와 나무가 폭풍에 날아다니는) 원자폭탄 실험 영상이다. 링크된 동영상의 실험은 1952년에 실시된 그레블(Grable) 작전의 결과로, 이 포탄의 위력에 만족한 미군은 동형 포와 포탄을 양산해서 유럽에 배치했다. 이것이 M65 280mm 아토믹 캐논이며, 미 해군은 이 포탄의 코어를 아이오와급 전함의 16인치 고폭탄에 삽입해서 16인치 핵포탄도 만들어 배치했다. 그리고 M65 280mm 포는 요새포에 가까운 고정식 화포이며, 이 포는 핵탄두를 155mm 견인곡사포로도 쏠 수 있게 되고 전술탄도미사일에도 핵탄두가 탑재되기 시작한 1962년까지 현역에 있었다.원자폭탄 포격시험 영상[5]
미국이나 러시아(혹은 소련) 등 5대 핵보유국은 1Mt(메가톤)급 이상의 수소폭탄을 개발, 배치하고 있으나 그외 핵 후발주자들의 경우 수소폭탄의 개발에는 이르지 못해 50kt는 커녕 20kt 정도가 보통이다.[6]
전략핵은 보통 수소폭탄으로 100~500kt 정도의 위력을 가지지만, 1~3Mt 탄두도 존재는 한다. 실제 순항 미사일에는 300kt~1Mt급 탄두를, 대륙간 탄도 미사일에는 500kt~3Mt급 탄두를 사용하며(보통 550kt) 그보다 짧은 전술 핵무기는 100kt을 넘기는 탄두가 드물다.
다만 통상적인 전략 타격에 500kt 이상은 필요 없다는 인식이 크며, 상호확증파괴 전략에서 흔히 언급되는 어느 나라를 멸망시키는 데 몇 발의 핵무기가 필요한가를 연산할 때의 핵탄두도 보통 500kt급 수소폭탄을 의미한다.
이유는 핵무기의 효율때문인데 아래 표를 봤을때 처럼 핵무기의 위력이 10배가 강해진다 해서 범위가 10배가 늘어나는것이 아니기 때문이다. 핵무기에서 나오는 에너지는 구형으로 방사되기 때문에[7] 위력이 강할수록 높은 고도에서 격발시켜야 그 피해를 늘릴 수 있다. 때문에 위력이 강할수록 총 에너지량중 지표에 영향을 주는 에너지량은 격감하며, 실제 가장 강력한 위력을 가진 차르 봄바의 경우 60%의 에너지가 우주로 날아가 버린것으로 추정된다.
따라서 위력이 강한 하나의 핵무기 보단 위력이 약한 다수의 핵무기로 공격하는것이 훨씬 효과적이다. 실제 미국과 소련이 경쟁적으로 핵무기 출력을 늘린것도 당시의 오차율이 큰 투사전력에 따른것으로, 현대에는 오차율이 매우 적어져 목표지점의 50~500m이내에 정확히 핵무기를 투사할 수 있어서 핵무기 하나의 절대적 위력은 냉전때와 다름없다.
현재 제3세계쪽에서 문제가 되고 있는것은 대개 원자폭탄이며, 따라서 이 문서에서는 15kt~22kt급 폭탄의 위력을 서술한다.
16kt급은 제2차 세계 대전에시 미국이일본 히로시마에 투하된 '리틀보이' 폭탄의 급수이다.(나가사키는 21kt) 보통 우라늄 0.8kg이 분열해서 0.9g 정도가 에너지로 완전 변환된 결과이다.
이 리틀보이의 위력은 핵무기나 다른 에너지의 크기를 측정하는 '기준'이 되었다. 최초로 실전에 사용한 폭탄이라서 위력을 측정할 수 있는 데이터가 가장 많이 축적되었기 때문이다.
3. 원자폭탄의 폭발 과정
히로시마 원폭 관련 BBC 다큐멘터리실제 버섯구름들의 크기를 같은 거리선상에 놓고 비교한 사진.
좀 더 자세하게 핵무기의 위력별로 버섯구름의 도달 높이와 직경을 그려낸 도표. 좌측 하단의 부르즈 할리파와 우측의 에베레스트산의 높이와 비교해보자.
이 그림들에는 세계 최강의 핵폭탄 차르 봄바는 나오지도 않았다. 이 그림에서 가장 큰 캐슬 브라보 조차 차르 봄바의 30% 크기밖에 안 된다.
15kt급은 폭발지점을 기준으로 광구 반경은 약 100m, 열복사 반경은 약 3.5km다.[8] 이는 폭발 직후 1초안에 폭심지로부터 반경 100미터 안쪽은 광구화 하여 증발한다는 소리다.[9] 이와 동시에 광구의 팽창으로 주변의 공기가 순식간에 밀려나면서 충격파를 만들어 내게 된다. 500m~1km 안에서는 차폐물이 있거나 건물안에 있는 경우 생존률이 30% 가량이다. 2km 안쪽의 열복사 노출지역은 순간 열복사 2천도 가량을 받게 되어 피부에 직접 노출시 탄화, 간접노출의 경우에도 3도 화상을 입게 된다. 여기까지 폭발 후 3초안에 일어나는 일이다.
폭발 후, 연소반응 때문에 대량의 산소가 광구방향으로 흡입되는데, 이 과정에서 발생하는 공기의 순간속도가 약 440m/s로 음속보다 빠르다. 폭심지에는 350만 파스칼의 초고기압이 발생하고 반경 1km내에도 100만 파스칼에 달하며 이는 2층 이내의 철근 콘크리트 건물이 간신히 버틸수 있는 수준이다. 2km권에도 30만 파스칼의 기압으로 목조건물 따위는 가볍게 날려버릴 풍압이 덮쳐온다. 사실상 이때 차폐물로 보호받아서 증발하지 않았던 반경 1km이내의 생물체는 95%가량 사망한다.[10]
폭발이 진정되면 광구쪽으로 흡수되었던 피폭지 파편과 방사성 물질이 버섯구름을 타고 반경 20km범위까지 뿌려지는 낙진 현상이 발생한다.[11] 15km 반경의 인원은 방사능에 직접 노출되게 된다. 이후 바람을 타고 가벼운 낙진[12]은 더 넓은 반경으로 퍼져 나간다.
이 15kt급 원자폭탄이 폭발할 경우 폭심지 기준 1km 이내에서는 노출된 인원의 95%가 사망, 4.5km 이내에서는 70%가 사망한다. 해당 권역 안에 있는 건축물의 90%가 붕괴하는 직접 피해도 예상 할 수 있다.
핵무기의 에너지는 90% 이상이 처음 단계인 열복사선과 폭풍의 형태로 방출되며, 그나마도 많은 비율이 우주로 날아간다. EMP로 나오는 전자기파나 방사성 낙진의 형태에서 나오는 방사선은 수%에 지나지 않는다. 그러나 실제로 인류가 핵전쟁을 두려워하는 이유는 물리적인 파괴력보다도 바로 그 얼마 되지 않는다는 방사능이다.
원자폭탄의 폭발력 그 자체보다 무서운건 터진 후의 후폭풍이다.
서울에 떨어뜨린다고 시뮬레이트하면 산지가 많은 특성상 위의 사례보다는 약간 적은 피해가 예상되지만 낙진 피해권역이 일산, 분당, 수원까지 넓어진다. 사망자는 60~120만정도로 추산되며 원폭 간접 피해자는 500만에 달한다고 한 시뮬레이션 결과가 있다. 즉 서울 인구의 거의 반이 직간접 피해를 입을 수 있다. 핵무기는 사실 원자력 사고에 비교하면 훨씬 덜한 방사능 오염을 일으키지만, 이렇게 인구과밀지역에 낙진의 형태로 퍼지면 수많은 사람의 피부에 닿거나 소화기, 호흡기로 들어가게 되고, 이런 체내 오염은 대단히 치명적이다.
4. 피해
아래는 핵폭탄이 도시 상공에서 폭발했다고 가정했을때 지도에다 표시해본 피해 지역. 출처| 구역 | 효과, 증상 |
| 광구범위 | 1초 내로 광구화하여 증발 |
| 열 폭풍 | 13만 파스칼 이상의 공기폭풍이 몰아치고 내진설계된 건물이 무너지고 생존확률은 거의 없음 |
| 방사능 | 초당 5 시버트 이상의 방사능에 피폭되어 몇시간에서 몇주내로 사망 |
| 폭풍 | 3만 파스칼 이상의 바람으로 인해 내진설계가 되지 않은 빌딩 대부분이 붕괴됨 |
| 열복사선 | 노출된 피부에 3도 화상, 가연성 물질 착화 |
일단 핵탄두 한발이라고 해도 말 그대로 대 혼란이 찾아올것이고, 위의 핵폭발 시뮬레이터 사이트를 들어가 봤다면 어떤 핵탄두라 한들 10만명 단위의 사상자는 기본적으로 쏟아질 것이다. 핵탄두의 범위에 있는 모든 사람들이 죽지 않더라도 3도화상을 비롯한 엄청나게 심각한 부상을 입을 것이고, 이렇게 된 상황에서는 그 어떤 방법을 사용하더라도 핵탄두를 얻어맞고 할 만한 대책을 거의 없다. 해봐야 부상자들을 어떻게든 수용하는 것 정도... 애초에 핵이 터지면 그 어느 나라 정부도 실질적으로 할 수 있는 일이 별로 없다.[13] 그 이후의 대책 역시 핵이 있는 나라는 상호 확증 파괴라도 가능하지만, 핵이 없는 나라는 핵우산에 기대거나 그냥 얻어맞는(...) 방법 밖에 없다.
과거 북한이 보유한 핵무기 위력은 15kt급의 리틀 보이와 비슷한 수준으로 여겨졌고 이 정도면 서울에서는 1, 2개의 구에 영향을 미치는 수준이다.[14] 그러나 2017년 6차 핵실험에서 무려 수백kt급의 수소폭탄 핵실험에 성공했으니 원자폭탄 위력이 약하다고 무시할 수 있는 것도 옛말이 되었다. 사실상 "전략 핵무기"로서 필요한 위력은 이미 완성된 셈이다.
수소폭탄은 원자폭탄에 비해 상대적으로 위력의 상향이 쉬운데, 이는 핵분열과는 달리 핵융합은 일시에 공급되는 핵융합 물질의 양에 따라 바로 위력을 결정할 수 있기 때문이다. 현대 핵무기에서 50kt 이상의 위력을 보이는 핵무기는 사실상 모두 수소폭탄이며,[15] 보통 수소폭탄은 1Mt급 위력을 기준으로 해서 설계된다. 당장 현대의 대표적인 항공 핵폭탄인 B83의 경우 1kt 이하의 위력(수소폭탄 기폭용 원자폭탄만을 터뜨리는 경우)부터 1.2Mt(탑재 가능한 모든 핵물질을 분열/융합시키는 것)까지의 위력을 가변적으로 낼 수 있도록 설계되어 있다.
수소폭탄의 위력 기준인 1Mt급은 광구 범위가 약 3km에 열복사노출지역이 7km로 늘어나는데 이 수준이면 사실상 서울은 괴멸한다고 보면 된다.
역사상 가장 강력한 수소폭탄이었던 차르 봄바는 50Mt 급이었다. 50Mt 급의 차르 봄바의 폭심지 지름은 무려 58km. 열복사 노출지역은 120km[16] 광구 범위가 8km정도로 서울 전역이 광구화 하고 경기도 전역이 직접 열복사 노출구역에 들어간다. 즉 경기도에 차르봄바가 떨어지면 경기도전체와 일부 지역까지 날아갈 수 있다는 소리다.
다만 100Mt이 되더라도 폭발력에는 체감법칙이 있기 때문에 일반적으로는 국가 하나를 다 지워버릴 정도의 위력까지는 안 나온다.
다행히 방사성 물질의 경우 핵무기는 그 악명에 비해 별로 나오지 않는데, 특히 위력이 강한 수소폭탄의 경우 순간적인 방사선은 많이 나와도 방사성 물질 자체는 별로 안나온다. 그래서 추가적인 방사성 오염을 염두에 두지 않은 수소폭탄을 깨끗한 수폭, 방사성 오염을 증가시키도록 설계된 수소폭탄을 더러운 수폭이라고 부른다. 방사성 폐기물이나 기타 동위원소로 특수하게 제작된 핵무기가 아닌 이상 방사성 물질은 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고처럼 오래가는 수준은 아니다. 사실 극단적으로 말해서 방사능 낙진을 흡입하지 않고 깨끗한 물로 씻으면 끝이다.
EMP의 경우 나날이 전자장비가 중요시되는 현대 사회에서 큰 문제점으로 전자장비가 모두 작동을 멈추어 국가기반이 한 방에 마비될 수 있다. 핵무기가 투발되었다는 것은 곧 전시임을 의미하는데, 전투에 사용되는 전자장비가 망가지는 것도 큰 위협으로 다가온다. 국군 현용장비들은 이러한 전자전을 대비하여 자체적인 EMP 방호능력을 갖추고 있다.
[1] 1kg : 1mt(밀리톤), 1000톤 : 1kt(킬로톤), 100만 톤 : 1Mt(메가톤), 10억 톤 : 1Gt(기가톤)[2] 대도시 하나를 통째로 날릴 수 있는 핵무기로, 수백 kt 이상의 핵무기를 총칭한다. 전술 핵무기는 소도시를 날릴 수 있는 핵무기로, 100 kt 미만의 핵무기를 총칭한다.[3] 원래는 100 Mt으로 계획되었다.[4] 항공기에서 떨구는 폭탄은 B83이 위력이 높지만, 미사일로 쏘는 핵탄두는 SS-18 미사일이 단일탄두로 20 Mt의 위력을 지닌다.[5] 핵무기에 관한 만담이지만 버섯구름이라든지 후폭풍 같이 상징적으로 연상하는 이미지는 원폭이든 핵이든 비슷하다.[6] 원자폭탄은 사용된 핵물질 중 에너지로 변환되는 양에 한계가 있다. 이는 핵분열에 필요한 임계질량과 더불어 모든 핵물질이 연쇄반응을 일으키기 전에 폭발해서 핵물질 대부분이 흩어지는 것을 피할 수 없기 때문이다. 보통 내폭 또는 폭축으로 불리는 방식의 한계는 약 50~100kt정도까지이며, 포신형이라고 불리는 초보적인 우라늄 원자폭탄은 기계적인 문제로 사실상 2~30kt가 위력의 한계다. 현재까지 개발된 원자폭탄중 가장 큰 위력을 내는건 영국의 오렌지 헤럴드(720kt)이다. 두번째는 미국의 아이비킹 (500kt) 둘다 순수 핵분열탄이다.[7] 부피는 세제곱이며, 폭발 고도가 같을 때 폭발 반경을 2배 늘리기 위해서는 위력이 8배가 돼야한다.[8] 1도 화상 기준[9] Vaperize 즉 엄청난 열에 의해 물질이 플라즈마화 되어 증발해버린다.[10] 그러나 핵실험 영상이나 맨발의 겐의 묘사를 보면 광구 방향의 폭풍은 그리 세지는 않은 것으로 추정된다. 지상에서 반사된 충격파의 영향과 주변 대기와 압력 차이로 연소 영역인 광구는 이미 버섯구름의 상부(갓 부위)를 만들면서 하늘로 올라가고 있는 상태다.[11] 버섯구름 내부의 무거운 물질은 폭심지 근처에 그대로 떨어지며, 가벼운 물질은 버섯 구름의 상승기류가 올라 갈 수 있는 높이까지 올라가 넓게 퍼지며 안정화 된다.[12] 버섯구름의 버섯 갓에 해당하는 부위[13] 이 상황에는 정부의 무능을 탓하기도 어렵다. 핵폭탄이 터지기 전의 외교적 군사적 핵억제면 몰라도 핵폭탄이 터진 후의 사태 수습에 대해서는 어느 나라도 제대로 대비되어 있지 않다.[14] 그러나 이것도 여러개의 다탄두가 서울과 수도권에 뿌려지면 여전히 큰 위협이다. 북한 입장에서도 1Mt 단일탄두 하나만 쐈다가 요격당할 위험을 감수하기보다는 수백발의 Kt급 핵탄두를 스커드에 장착해서 공격하는게 더욱 효과적일테니까 말이다.[15] 원자폭탄으로도 720kt(영국의 오렌지 헤럴드)까지의 위력은 낼 수 있으나, 설계와 제작이 어려워진다. 그 이상의 위력이라면 차라리 수소폭탄 또는 소량의 삼중수소를 폭탄에 추가한 위력증폭형 원자폭탄(핵융합이 존재하지만 위력에서 차지하는 비중은 극미량이므로 수소폭탄으로 분류되지 않음) 이 더 만들기 쉬운 수준이다.[16] 한반도 중부의 단축을 횡단하는 DMZ의 길이가 대략 240km 폭탄 한발의 열복사 노출 지역이 DMZ의 절반인 셈.