폭탄만들기

글의 제목에서 폭탄을 제조한다고 되어있으나 대략적으로 그 원리에 대해서만 설명하려고 한다. 물론 이 말들이 힌트가 되어서 폭탄을 제조할 수도 있겠지만….

폭발이란 것은 어떠한 물체가 급격히 상태를 변화시키면서 에너지를 방출하는 과정이다. 별이 초신성이 되는 것도 폭발의 일종이다. 별 내부에서 핵융합에 의해서 더이상 에너지를 생산할 수 없게 된 별이 갑자기 수축하여 온도와 압력이 급격히 상승하게 되어 그동안 진행되지 않던 핵융합이 갑자기 폭발적으로 진행되어 수축이 팽창으로 급변하여 폭발하게 되는 것이다. 이때 에너지원은 핵융합이다. 하지만 일반적인 폭발은 핵융합같은 물리적인 에너지원을 갖는 것이 아니라 화학적인 에너지원을 갖는 것이다.

물을 전기분해 하면 양극에서는 산소가, 음극에서는 수소가 모인다. 수소와 산소가 합쳐져 불에 타면 다시 물이 된다. 항상 문제가 되겠지만 불에 타는 속도가 문제가 된다. 폭발은 급격히 상태가 변해야 하므로 어떻게 하면 급격하게 연소시킬 것이냐 하는 문제가 남는다.
물을 전기분해 하면 산소와 수소가 생기는데 산소와 수소의 부피비는 1:2로 생성된다. 다른 말로 하면 산소와 수소를 섞어 태우면 산소와 수소의 비가 1:2만큼만 반응하고, 여분의 기체는 반응하지 않고 남게 된다. 이 여분의 가스는 수소와 산소가 연소하는데 방해가 되고, 또한 이 가스를 온도를 올리는데 에너지가 소모되므로 급격한 반응이 일어나지 않게 하는 주요 요인이 된다.
반대로 이야기하면 수소와 산소의 비가 정확히 2:1이 됐을 때 폭발이 급격히 일어난다. 마찬가지로 수소통에서 수소를 연소시킬 때 산소와 수소의 비가 정확히 맞아 떨어지면 그대로 폭발하게 되는데 수소 통 속에 산소가 섞여 있을 경우 통 속까지 연소가 일어나므로 많이 위험하다. 실험관에 수소를 모아서 실험관 주둥이불을 붙이면 수소가 밖으로 나오면서 연소되고, 공기중에 산소가 실험관에 흘러들어가면서 수소와 산소의 부피비가 2:1이 되는 순간 갑자기 전체적으로 폭발하게 된다. 일반적으로 작은 시험관의 경우는 괜찮지만 시험관이 크거나 특별한 모양일 경우 시험관이 깨질 수도 있으므로 주의해야 한다.
프로판, 부탄 등 일상생활에서 사용하는 원료들도 비슷한 양상을 보인다. 가스랜지를 끌때 ‘벅’소리가 나는데, 이 소리는 가스관 안의 가스가 나오면서 그 안에 산소가 유입되어 일정 비율이 됐을때 관 속의 원료들도 동시에 폭발하게 되기 때문이다.

어떤 화공약품의 경우 자체내에서 산소가 분리하기 쉬운 물질들이 있다. 가장 대표적인 물질이 과산화염소산칼륨(KClO4) 같은 물질인데 과산화염소산칼륨은 산소를 필요로 하는 물질을 만다면 배위결합 되어있는 산소가 쉽게 떨어져 나간다. 따라서 어떤 연소할 수 있는 물질(설탕 같은 물질)에 과산화염소산칼륨을 적당량 섞어 불을 붙이면 급격히 타들어간다. 물론 이때도 폭발의 위험성이 있으므로 절대 장난해서는 안 된다. 과산화염소산칼륨의 경우는 화공약품중 위험 물질이기 때문에 아무한테나 판매하지도 않겠지만…. 어째튼… 이 물질을 가지고 실험하려는 생각은 절대 하면 안 된다. (나의 고등학교 동창 중 한 명이 다리 밑에서 비슷한 물질을 가지고 장난치다가 폭발 사고가 나서 죽을뻔했다는 이야기를 들은 적이 있다. 당시 우리학교 선생님이 발견해서…. 큰 위험은 벗어났다고 하더라만…)

1962년에 아주 특이한 물질이 발견됐다. 0족 원소들은 어떤 원소와도 반응해서 화합물을 이루지 않는다고 알려져 있었다. 그런데 우연히 0족 원소들이 염소와 반응해서 특이한 물질을 구성한다는 것이 밝혀졌다. 이 물질은 특별한 압력과 온도에서만 존재했는데, 그 압력이나 온도에서 벗어나면 이 물질은 급격히 분해된다.(다른 말로 폭발한다.) 나만의 생각이었지만 이런 물질을 이용해서 폭탄을 만들면 아무런 흔적이 남지 않는 폭탄을 만들 수도 있을 것이라는 생각이 든다.
(그렇지만 0족 원소중에서도 He와 Ne만은 그 어떠한 원소와도 반응하지 않는다.)

액체헬륨을 저장하는 보온통의 보온은 진공층을 만들어서 하게 된다. 진공 부분은 유리로 만들거나 알루미늄이나 은 등등으로 만드는데 문제는 헬륨은 대부분의 금속 사이를 통과할 수 있다는 것이다. 액체헬륨은 온도가 4K(-269℃)이므로 헬륨이 좀 스며 들어간다고 해도 진공이 크게 변하지는 않는다. 하지만 이 액체헬륨이 사라지면 보온통의 온도는 급격히 올라가 실온이 되고, 진공층의 압력은 65배나 증가하게 된다. 평상시 저압 상태였지만, 온도가 올라가면 상당한 고압일 수도 있다. 때때로 그래서 보온통이 폭발하는 사태가 일어나기도 한다.
이러한 원리를 이용해서도 충분히 폭탄을 만들 수 있다. 물론 이러한 물리적인 반응은 에너지를 생산해 내지는 않는다. 자연적으로 열이 공급되어 폭발을 일으키게 되는 것이다. 어쨌든 위험하므로 절대 장난하지 말기 바란다. 물론 액체헬륨통은 제일 싼 중고가 1000만원을 넘어가므로 이 통을 가지고 장난치는 분들은 안 계시겠죠???

마지막으로 이야기할 것은 원자폭탄 만들기이다.
원자폭탄의 원료는 우라늄이나 플루토늄으로 만든다. 이론적으로는 코발트도 가능하다고 하지만 실제로 제작되지는 않았다. 우라늄이나 플루토늄의 원자핵은 일정한 확률로 스스로 갈라진다. 갈라지면서 약간의 에너지(?)와 두세개의 중성자를 내보내게 된다. 원래 자연상태의 우라늄은 두개중 한개가 분해하는데 걸리는 시간(반감기)이 45억년이나 되지만 중성자를 흡수한 우라늄은 거의 즉각적으로 분열하게 된다. 물론 분열할때 두세개의 중성자와 약간의 에너지를 방출하는 것은 마찬가지다.
우라늄의 핵분열은 필연적으로 중성자 두세개를 방출하므로 이 중성자를 다른 우라늄 원자핵이 흡수하여 연쇄반응을 일으키면서 순식간에 엄청난 반응을 유도한다. 따라서 약간씩 나오는 에너지는 엄청나게 많은 양의 에너지로 바뀌게 된다.
실제로 우라늄 덩어리는 주변의 온도보다 항상 약간 높은 온도를 유지한다. 그리고 우라늄의 핵분열로 인해서 지구 핵이 따뜻함을 유지하고 있다. (어쩌면 화성에 짙은 대기가 사라진 것은 화성에 우라늄의 분포가 적기 때문일수도 있다.)
하지만 우라늄의 연쇄반응이 일어나기 위해서는 우라늄이 어느정도 이상 모여야 가능하다. 그 질량을 우리는 임계질량이라고 한다. 임계질량 이하의 우라늄 덩어리는 방출된 중성자가 다른 원자핵과 반응할 확률보다는 우라늄 덩어리 밖으로 방출될 확률이 더 높아서 연쇄반응이 일어나지 않는다. 어떤 물질이냐에 따라서 많이 달라지지만 우라늄의 경우 약 15Kg정도가 임계질량이다. 우라늄이 임계질량까지 모이면 폭발하기 때문에 항상 취급에 주의해야 한다.
여기까지 살펴봤듯이 원자폭탄은 무조건 우라늄이 모이면 폭발하기 때문에 이 원리를 이용해서 원자포탄을 만든다. 대략 10Kg짜리 우라늄 덩어리 두개를 떼어놨다가 필요시 합쳐져 20Kg짜리 우라늄 덩어리를 만들어지게 해서 폭파시키는 것이다.
원자폭탄을 만드는 기계적 장치는 비교적 간단하여 일반적인 중규모 이상 기업체라면 쉽게 만들 수 있지만 우라늄을 필요이상 농축해서 모으는 것이 힘들기 때문에 원자폭탄을 만들기는 아주 힘들다. 또한 확실하게 폭파시킬 수 있도록 기계장치의 신뢰성을 확보해야 하므로 이 또한 쉽지 않은 것이다.(정부 차원에서라면 우라늄만 모을 수 있으면 쉽게 원자폭탄을 제작할 것이다.)

폭탄은 우리 일상생활 속에서 구할 수 있는 설탕, 치약, 건전지 등을 이용해서도 충분히 제작할 수 있다.(혼합 비율이 중요하다.) 하지만 폭탄을 제작하는 호기심에 앞서서 위험성을 우선 살펴야 한다.
이 글에서 언급한 것들이 읽는이들로 하여금 좋은 공부거리가 됐으면 좋겠다.