강력한 파괴력을 지닌 폭발물은 전쟁, 평화, 테러의 수단으로 세상의 모습을 바꾸어 놓습니다. 인류는 1,000년 동안 폭발물이란 사악한 마술(?) 을 사용해왔고 그 유일한 목적은 보다 강력한 폭발을 일으키는 것이었습니다. 폭탄은 발견과 동시에 끊임없는 발전을 하며 지금의 파괴적인 무기에까지 이르렀습니다. 로스앨러모스(Los Alamos) 의 산물, 원자폭탄이 바로 그것입니다. 이제 극단적인 실험과 놀라운 시연 장면을 관찰하며 화약에서 폭약, 핵폭탄에 이르기까지 다양한 폭발물의 진화 과정을 알아보겠습니다.
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기체의 팽창과 폭발
폭발의 핵심은 급격한 기체의 팽창에 있습니다. 모든 폭발 물질은 빠르게 연소하며 상대적으로 짧은 시간에 방대한 양의 기체를 방출합니다. 고압의 기체는 폭발 과정 동안 빠르게 빈 공간을 채우고 계속해서 팽창해 나갑니다. 그리고 팽창하는 기체는 가로막고 있는 모든 물체에 엄청난 압력을 가합니다. 이 팽창력은 자동차, 건물 등 주변의 모든 물체를 파괴합니다. 이것이 모든 폭발물의 원리입니다. 일반적인 폭발물은 연료, 산소 그리고 발화원이라는 세 가지 요소를 필요로 합니다.
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역사 속 전쟁의 신, 화약
화약은 역사에 기록된 가장 오래된 폭발물이며 수백 년 동안 전쟁의 신으로 군림했습니다. 화약 시료는 산소 분자가 포함된 질산칼륨 75%, 황 10% 그리고 탄소 성분인 목탄15%로 이루어져 있습니다. 목탄은 연료 역할을 하고 질산칼륨은 산소를 공급하며 황은 연소 촉진제로 작용합니다. 화약을 점화하면 질산칼륨의 산소는 황과 탄소의 급격한 연소를 가능하게 하고 뜨거운 혼합 기체는 급격하게 팽창합니다. 화약을 밀폐된 공간에 넣으면 그 결과는 더욱 극적인데 폭발하면서 열과 기체를 방출하고 이것이 축적되면서 압력이 증가하기 때문입니다. 만약 화약의 폭발력을 증가시켜 그 방향을 제어할 수 있다면 총알처럼 공기를 가르며 날아가는 추진력을 얻을 수도 있습니다.
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고성능 폭약, TNT
좀 더 큰 파괴력에 대한 요구로 화약은 새롭고 무시무시한 폭약과 만나게 되는데 이것이 바로 트리니트로톨루엔(trinitrotoluene, TNT)입니다. 화약과 달리 고성능 폭약인 TNT는 연료와 산소의 단순한 혼합물이 아니라 연료와 산화제가 분자 내에 결합되어있습니다. 또한 충격을 가해야지만 폭발 에너지를 방출할 수 있었기 때문에 기폭 장치가 필요했습니다. TNT는 질소, 수소, 탄소, 산소로 이루어져 있는데 기폭 장치가 터지면 충격파로 분자 결합이 깨지게 되고 초속 6.7km의 속도로 폭발하며 4,000psi 이 상의 압력을 발생시키면서 다량의 에너지를 방출하게 됩니다.
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최초의 원자폭탄, 리틀 보이
화약에서 TNT로 이어지는 폭발물의 오랜 역사는 '리틀 보이'로 명명된 폭탄을 탄생시킵니다. 지름 71cm, 길이 3m인 '리틀 보이'는 TNT 15,000톤에 해당하는 폭발력을 지닌 소형 폭탄입니다. 내부에는 각각 표적과 총알이라 명명된 두 덩어리의 우라늄이 들어있고 한 쪽의 우라늄만으로는 연쇄 반응이 일어나지 않도록 임계치 이하로 분리해 놓습니다. 재래식 고성능 폭약은 총알을 표적에 발사하고 두 덩어리의 우라늄은 하나로 합쳐집니다. 폭탄이 임계 상태에 돌입하면 중성자와 불안정한 우라늄 원자가 충돌하면서 엄청난 양의 에너지 방출을 촉발하는데 이것이 원자 폭탄의 원리입니다. 이 모든 과정은 1945년 8월 6일 오전 8시 15분 일본 히로시마 1,900피트 상공에서 순식간에 발생합니다.
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폭탄의 제왕, 수소 폭탄 차르
히로시마와 나가사키에 떨어졌던 원자 폭탄보다 1,000배나 강력한 폭탄이 등장했습니다. 핵분열이라는 과정을 통해 에너지를 방출했던 기존의 원자 폭탄과 달리 이 새로운 폭탄은 수소 원자의 핵을 융합시킵니다. 먼저 고성능 폭약으로 핵분열을 촉발시켜 초고온 상태를 만들고 이 열기로 수소의 핵이 융합해 헬륨을 형성하는데, 이 때 엄청난 에너지가 방출되며 거대한 폭발을 일으킵니다. 수소 폭탄 덕분에 미국은 군비 경쟁에서 앞서 나가지만 1961년 10월 30일 소련 폭격기가 무게 27톤의 수소폭탄을 싣고 북극권의 외딴 섬을 향해 이륙합니다. 이것이 바로 폭탄의 제왕이라 불리는 ‘차르’폭탄입니다. 히로시마 원자폭탄보다 3,800배나 강했습니다. 화염은 960km 떨어진 곳에서도 목격됐고 충격파는 지구를 3바퀴나 돌았습니다. 인류 역사상 인간이 만들어낸 최대의 폭발이었습니다. 이 사건은 상호 공멸의 시대를 예고합니다. 비록 수많은 조약과 협정이 지금까지도 유효하지만 이 극한의 폭발물은 여전히 위협으로 존재합니다
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반물질의 폭탄?
지금까지 폭발물의 엄청난 위력을 지켜보았습니다. 미약한 화약에서부터 사상 최대의 폭탄까지 지난 1,000여 년 동안 폭발력은 수억 배나 증가했습니다. 하지만 이와 같은 기존의 폭발물은 ‘반물질’앞에서는 과거의 유물이 될 수도 있습니다. 이것은 수소 폭탄보다 1,000배나 효율적이고 TNT보다는 400억 배나 효율적입니다. 바늘 무게 밖에 안 나가는 폭탄이 뉴욕 크기의 도시를 파괴할 수 있을 정도입니다. 이 끔찍한 상상에 대해 물리학자 리처드 톰슨은 앞으로도 실현 불가능하다고 믿습니다. 지금까지 만들어냈거나 앞으로 만들 수 있는 반물질의 양은 매우 적고 또한 생성 과정 역시 매우 비효율적이기 때문입니다. 그러나 폭발물만큼 빠른 속도로 발전한 과학 분야는 없습니다. 언젠가 반물질 폭발물이 나타나 인류를 우주로 보낼 로켓의 연료로 쓰일 지도, 지구를 멸망시키는데 쓰일지도 모를 일입니다.
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글·영상/사진 제공 내셔널지오그래픽채널
- "폭탄의 진화" | 내셔널지오그래픽채널 2009-10-26(월) 저녁 9시
- 세계의 모든 기술 중에서 가송 빠른 속도로 발달하는 폭발물을 직접 경험하는 사람은 극 소수일 것이다. 우리는 불과 300년 만에 화약에서 원자폭탄까지 폭발의 위력을 무려 100,000배나 증가 시켰다. 본 에피소드는 여러분을 안정성과 최고의 파괴력을 결합한 원자폭탄을 만드는 일급기밀의 실험실로 데려간다. 또한 폭발의 과학을 악용하여 잔인하고 치명적인 자가 폭탄을 만드는 테러범들에 대해 알아보고, 공상 과학 소설의 꿈인 미래 최고의 에너지원 ‘반물질’에 대해서 현실적으로 접근해본다.
