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1. 개요
폭축렌즈(Explosive Lens)는 폭발의 충격파를 굴절시켜 연쇄 핵분열&핵융합을 유도하도록 하는 핵무기의 중요한 기폭장치이다. 일반 렌즈가 빛을 굴절 시키듯이 폭축렌즈도 충격파를 굴절시키는 역할을 해서 렌즈라는 이름이 붙었다. 이러한 폭축렌즈가 들어간 구형으로 설계된 핵무기를 가젯 모양 핵폭탄이라고 한다.맨해튼 계획이 한창일때 존 폰 노이만이 개발했다.
영화 오펜하이머에서 오펜하이머를 비롯한 로스 앨러모스의 연구진들이 여러 개의 부품에 뇌관을 연결해 터뜨려보기도 하고, 들어다 끼워맞춰 구형의 물체를 만들어내는 장면이 있는데, 그게 폭축렌즈다.
2. 상세
폭축렌즈의 한 조각. 사진의 주황부분은 폭축이 빠르게 일어나는 부분이고 흰색부분은 폭축이 느리게 일어나는 부분이다.
폭축렌즈의 조각을 합친 전체적인 모형.
한 원자핵에서의 연쇄 핵반응을 일으키기 위해서는 아주 높은 결합 에너지(binding energy)가 필요하다. 그러나, 일반 고성능 폭약은 핵폭탄 내부의 연쇄 핵반응을 일으키기에(임계점에 도달하기에) 결합 에너지가 충분하지 않았다. 따라서 핵반응이 일어나도록 하는 결합에너지를 발생시키기 위해 고성능 기폭제를 보완하는 장치가 연구되었는데 폭축렌즈는 여러 연구 장치중 가장 효율적인 구조였다.[1]
폭축렌즈의 원리는 폭발반응의 속도를 결정하는 물질을 합쳐 원래의 충격파를 굴절시켜 더 큰 에너지의 충격파로 변환시키는 것이다. 각 폭축렌즈는 서로 합쳐져 구형으로 핵반응 코어를 감싸는 형태인데, 이는 지속적인 핵분열이 일어나는 공간 사이의 단일 경계를 이용해서 구면으로 확장되는 파면을 핵에 수렴하도록 변환하기 위함이다. 폭축렌즈가 효율적으로 작동하려면 폭축렌즈가 얼마나 구면으로 발산되는 파면을 평면으로 잘 전환하는가에 달려있는데 여러 구면중에서 가장 최적화된 형태는 원뿔(hyperboloid)형태의 폭축렌즈들을 합쳐서 만든 paraboloid꼴 다면체다.
3. 작동
먼저 PBX(Polymer Bonded eXplosive)라는 폭발물이 폭발해 비활성 포장재인 wave-shaper[2][3]가 충격파를 구면으로 발산시켜 폭축렌즈가 충격파를 굴절혹은 반사시켜 구면으로 수렴하는 단일 파로 변환한다. 이때 수렴하는 파는 코어를 차례대로 둘러싼 물질의 겉면을 붕괴시켜서 핵분열이 일어날 코어를 압축시켜 코어를 즉발 임계지점으로 만든다.
4. 폭축렌즈가 사용된 핵무기 목록
Wave-shaper가 적용된 핵폭탄뒤에 (W)라고 표기한다.
[1]
폭축렌즈의 구조에 대해서 후술했지만,
입자 가속기형 방식으로 설계된 핵무기는 폭축렌즈 설계의 핵무기에 비해 그리 큰 폭발력을 자랑하지 못한다. 입자 가속기형 핵무기도 기폭제가 폭발하며 중성자가 방사성 원소로 이루어진 타겟을 때려 핵반응을 일으키는 원리인데, 문제는 충격파가 구면파이기 때문에 직선상으로 움직이는 중성자에 에너지를 전달하는 효율이 폭축렌즈 설계 핵무기보다 떨어진다. 팻 맨 이후 만들어진 원자&수소폭탄에는 보다 효율적인 에너지 전달을 위해 폭축렌즈가 적용되었다.
[2]
첫 폭발물의 폭발파를 확산시키는 장치. 주로 고밀도의 폼이나 플라스틱이 사용된다.
[3]
초창기 핵무기에는 wave-shaper가 들어가지 않았다. Wave shaper가 들어가지 않고도 6km/s의 Vod(폭발파 전달 속도)를 낼수 있었기 때문이다. 하지만 Wave shaper로 3km/s정도 더 빠르게 Vod를 낼수 있다고 밝혀지자, 더 빠른 Vod를 위해 wave shaper가 들어가게 되었다.
[4]
팻 맨을 만들기 전 동일하게 제작된 핵폭탄이다. 이걸 만들어 테스트한 뒤 똑같은 걸 하나 더 만든 후 이름을 붙여준 게 팻맨.
[5]
여담으로 전작인
리틀 보이는 가속기형(포신형) 내관 구조의 핵무기이다.
[6]
간단히 말해 핵융합 임계 지점으로 도달하기 위해 만들어진 기폭제가 폭축렌즈인 설계구조를 총칭한다.