user: 핵무기 설계의 결합 방식을 알려주세요.

gpt: 임계 질량 이상을 달성하는 방법에는 두 가지가 있다. 개략적으로 말해, 하나의 방법은 두 개의 임계 질량 이하의 물질을 하나로 결합하는 것이며, 또 다른 방법은 임계 질량 이하의 물질을 임계 질량에 이르도록 압축하는 것이다.

## 포신형
초임계 질량을 달성하는 가장 쉬운 방법은 핵분열성 물질을 두 부분으로 구성하여, 하나를 다른 하나에 대고 총처럼 쏘는 것이다. 이러한 방식을 포신형이라고 하며, 히로시마에 떨어진 리틀 보이가 포신형이었다.

두 물질을 합치는 데 상대적으로 긴 시간이 걸리기 때문에, 이러한 결합 방식은 단지 우라늄-235에만 사용될 수 있다. 로 이루어진 폭탄의 경우, 필연적인 불순물인 플루토늄-240의 높은 자발 핵분열 비율로 인해 핵폭발 이전에 핵분열이 일어날 가능성이 높다.

핵 연쇄 반응이 적당한 시간에 빨리 시작하기 위해서는 중성자 방아쇠가 사용되며, 이에 관해서는 아래 항목을 참조하기 바란다.

리틀 보이는 80%의 순도의 U-235 60 kg을 지니고 있었지만, 최소 임계 질량은 약 20-25 kg이며, 이는 내폭형 핵폭탄의 임계 질량인 15 kg에 비해서 많은 양이다.

기술이 발전한 국가에서는 포신형 핵폭탄을 더 이상 사용하지 않는다. 하지만 세계적으로 핵 개발을 원하는 국가나 테러리스트 등에 있어서는 복잡한 공학 기술이나 제조 기술을 요구하지 않는 상대적으로 간단한 포신형이 매우 중요하다. 충분히 농축된 우라늄만 있다면, 상대적으로 기술 수준이 낮은 국가나 단체도 비록 비효율적이지만 여전히 강한 포신형 핵폭탄을 제조할 수 있다. 리틀 보이를 제작한 과학자들은 성공 가능성을 너무 신뢰한 나머지 전쟁에서 사용하기 전에 핵실험을 거치지도 않았다.

## 내폭형
포신형보다 어렵지만, 많은 면에서 우수한 결합 방식이 바로 내폭형이다. 내폭형이란 아임계 질량을 지닌 핵분열성 물질 주변을 통상 폭탄으로 둘러 싸고는 안쪽을 향해 폭발시킴으로써 핵분열성 물질을 매우 빠르게 압축시켜서 초임계 상태로 만드는 형태이다. 이러한 압축은 부피를 2내지 3분의 1로 압축시킨다.

를 결합하는 경우, 1% 정도밖에 안되는 플루토늄-240이라는 불순물이 자발 핵분열로부터 너무 많은 중성자를 생성하므로, 포신형 핵폭탄의 경우는 완전히 조립되기 이전에 핵분열을 시작해버릴 가능성이 있다. 이러한 까닭으로 포신형 핵폭탄은 매우 낮을 효율성을 지닌다. 즉, 플루토늄 폭탄에 대해서는 기술적으로 보다 어려운 내폭형을 사용해야 하며, 나가사키에 떨어졌던 팻 맨이 바로 이러한 방식이다.

자발 핵분열이라는 문제점을 제외하고 생각하더라도 내폭형 핵무기는 일반적으로 포신형 핵무기보다 높은 효율성을 지닌다. 내폭형이 보다 효율적인 이유는 두 개의 질량을 합치는 것이 아니라, 일정 질량의 밀도를 높이는 것이며, 밀도의 증가는 핵 연쇄 반응의 중성자 곱인자 ''k''를 증가시키는 것과 동일하기 때문이다. 현대의 대부분의 핵무기는 핵폭탄 탄두의 통상 폭탄 가운데에 밀도가 낮은 플루토늄 중심부, 즉 다른 말로 ''피트''를 지니며, 이는 폭발시 압축된다.

피트의 밀도가 두 배 증가하면, 10-20 킬로톤의 폭발이 일어나게된다. 3배 압축시는 40-45 킬로톤의 폭발을, 4배 압축시는 60-80 킬로톤의 폭발을 발생시킨다. 5배 압축은 일으키기는 어렵지만, 80-100 킬로톤을 발생시킬 수 있다. 5배 압축은 매우 강력하고, 대규모이면서도 효율적인, 렌즈 폭발 시스템이 필요하다.

피트가 정확하게 압축이 되려면 피트 및 폭발 렌즈가 정밀하게 설계되고 제작되어야 한다. 이 과정에서 사용되는 밀링 머신은 매우 정밀해서, 안경 렌즈의 매끄러운 표면도 제작할 수 있을 정도이다. 최근에는 완전 구 형태가 아닌 피트 형태, 예를 들어 수박 같은 갸름한 형태 역시 제안된 상태이다.

열핵폭탄의 중요 부분은 표준 형태의 내폭형 핵분열 폭탄이다. 비록 보다 높은 효율을 달성하기 위해 중심부에는 약간의 핵융합 연료를 넣지만 말이다. 자세한 내용은 아래 혹은 텔러-울람 설계를 참조하길 바란다.

### 피트
플루토늄을 주조해서 가공하는 것은 매우 어려운데, 이는 독성 때문만이 아니라 플루토늄이 매우 다양한 금속상을 지니고 있기 때문이다. 플루토늄은 식어감에 따라 상이 자주 변하며 이는 형태를 비뚤어지게 한다. 이러한 상 변화는 일반적으로 3-3.5 molar%의 갈륨을 혼합함으로써 해결되는데, 갈륨이 포함되면 넓은 온도 범위 동안 델타 상태를 유지하게 된다. 즉 플루토늄이 녹아있는 상태로부터 식어가는 동안 엡실론 상태에서 델타 상태로 단 한번의 상 변화만 거치게 되며, 이는 갈륨이 없을 경우의 4번의 상변화에 비해 매우 적은 상 변화 특성이다. 다른 3가 금속 역시 사용가능하지만, 갈륨은 낮은 중성자 흡수 단면적을 지니며, 플루토늄이 부식되는 것을 막아준다. 단점으로는 갈륨 화합물 역시 부식성을 지니며, 만약 플루토늄이 폐기된 핵 무기로부터 추출되어 핵 발전기에 쓰이기 위해 플루토늄 산화물 형태로 변경될 때, 갈륨을 없애는 것이 어렵다는 것이다. 현대의 피트는 종종 플루토늄과 우라늄-235의 혼합물로 이루어진다.

만약 플루토늄이 어떠한 방식으로든 체내에 들어가게 되면, 높은 화학 반응성과 독성으로 말미암아 위험하기 때문에, 피트는 보통 얇은 비활성 금속으로 감싸둔다. 예전에는 니켈이 사용되었지만, 현재는 금을 주로 사용한다.

### 폭발 렌즈
탬퍼 주변을 폭발물로 채워 놓고는 단순히 여러 곳에서 동시에 폭발시켜서 탬퍼 및 피트를 이래저래 찌그러뜨리기만 한다고 해서 효과적인 핵폭탄이 만들어지는 것은 아니다. 대신, 충격파를 정밀하게 계산해서, 충격파가 발산하지 않고 피트의 중심을 향해서 완전한 구를 이루면서 수렴하도록 해야한다. 이러한 형태의 충격파는 이른바 ''폭발 렌즈''에 의해 만들어지는데, 폭발 렌즈는 서로 다른 속도를 지니는 폭발물로 구성되어 폭발면이 완전한 구 형태를 이루면서 수렴하도록 해 주는 성형작약의 일종이다.

폭발 렌즈는 폭발면의 속도를 정확하게 제어하기 위해, 정밀하게 설계되어야 하며, 화학적으로 순수하고 균일해야만한다. 이러한 렌즈를 주조하고 시험하는 것은 1940년대 내폭형 핵폭탄을 개발하는 데 있어서 기술적 난제였다. 또한 전자 exploding-bridgewire detonator의 개발이 필요했는데, EBW는 동시에 폭발하는 장치로, 각 렌즈의 중심에서 동시에 폭발이 시작되도록 하는 장치이다. <!--Once the shock wave has been shaped, there may also be an inner homogenous spherical shell of explosive to give it greater force, known as a ''supercharge''.
-->

나가사키에 떨어진 팻 맨은 32개의 렌즈를 사용해서 정20면체 형태를 이루었으며, 이후의 보다 효율적인 폭탄은 40, 60, 72, 92개의 렌즈를 사용한다.

slapper detonator는 EBW와 비슷하지만, 보다 효율적인 장비로, 이후 EBW를 대체하였으며, 요즘에는 핵폭탄을 비롯하여 통상 폭탄에도 사용되고 있다.

성형작약 항목도 참조하기 바란다.

### Pusher
핵분열 폭탄에서 피트를 감싸는 폭탄이 폭발하면서 생기는 충격파는 너무나도 짧은 시간 지속되므로, 피트의 일부만이 압축되게 된다. 때로는 알루미늄, 베릴륨, 혹은 두 금속의 합금과 같은 낮은 밀도의 금속으로 이루어진 pusher 층이 폭발 렌즈와 탬퍼 사이에 놓이기도 한다. 이는 충격파를 뒤로 밀쳐냄으로써 충격파의 지속시간을 좀 더 길게 해주는 역할을 수행한다. pusher로는 낮은 밀도의 물질이 적당하며, 탬퍼로는 높은 밀도의 물질이 적당하지만, 탬퍼 및 반사재는 그 스스로 pusher의 역할도 함께 수행하도록 설계될 수도 있다. 에너지 전달 효율을 극대화하기 위해서는, 두 층의 밀도 차이가 최소로 유지되어야 한다.

1950년대 이후의 대부분의 미국의 핵무기는 이른바 피트 "부양"이라는 기법을 도입하였는데, 이는 pusher와 피트 사이에 공기 층을 두는 것이다. 공기 층의 효과는 pusher가 피트에 닿기 전에 충분한 관성을 얻도록 하는 것이며, 이는 보다 효율적이고 완전하게 피트가 압축되도록 한다. 이를 비유하면, 망치로 못을 치는 경우와 같이 생각할 수 있다. 즉 망치로 못을 박을 때, 박기 전에 거리를 두고 가속하는 것을 통해 망치의 힘을 증가시키는 것과 동일한 이치이다.

많은 현대 핵무기는 Pu-239나 U-235로 이루어진 피트를 사용하며, 이를 베릴륨, 텅스텐 탄화물, 혹은 U-238로 이루어진 탬퍼로 둘러싼다. 탬퍼층은 다시금 알루미늄, 강철, 혹은 다른 금속으로 이루어진 pusher 내부에 공기층을 사이에 두고 놓이게 된다. 거기에 추가로, 중수소, 삼중수소 기체가 무장 단계에서 내부의 빈 공간에 삽입되는데, 이는 "핵융합 부스팅"이라는 중성자 생성을 위한 약간의 핵융합 효과를 얻이 위해서이다.

### 탬퍼 반사재
탬퍼는 핵분열성 물질을 감싸는 선택적인 층으로 일반적으로 천연 우라늄, 열화 우라늄, 혹은 텅스텐과 같은 밀도 높은 물질로 구성된다. 탬퍼는 임계 질량을 줄여주며, 또한 자체의 관성 효과를 통해 핵분열 중인 물질의 분열을 늦추면서 핵무기의 효율성을 높여준다.

탬퍼는 폭발시의 엄청난 폭발 압력에 대해서 핵연료를 매우 짧은 시간 분열되지 않도록 지속해주며, 이러한 까닭으로 효율성을 증가시켜준다. 다시 말해, 실제로 핵분열하는 핵분열성 물질의 비율을 늘려준다는 것이다. 고밀도 탬퍼 재질이 장력이 강한 재질보다 효율적이다. 무기를 설계하는 데 있어서 그나마 다행인 것은 높은 밀도의 이른바 탬퍼에 적당한 물질은 또한 효율적인 중성자 반사재라는 것이다.

탬퍼가 중성자를 반사하고 핵분열성 물질의 분해를 막는 두가지 측면 모두에서 핵무기의 효율성을 증가시켜주기는 하지만, 효율성에 대한 효과는 임계 질량에 대한 효과만큼 크지는 않다. 이는 중성자 반사라는 과정은 시간이 걸리는 과정이기 때문이며, 핵 연쇄 반응이 멈추기 전까지 그렇게까지 많이 일어나는 현상은 아니기 때문이다.

### 중성자 반사재
중성자 반사재 층은 선택사항으로서, 대개 핵분열성 물질에 가장 가까운 층이다. 탬퍼와 같은 물질일 수도, 아닐 수도 있다. 비록 많은 탬퍼 재료가 적절한 반사재이기도 하지만, 가장 좋은 반사재인 베릴륨은 매우 나쁜 탬퍼 재질이다.

가장 효율적인 반사재는 베릴륨으로 알려져 있으며, 베릴륨 산화물 및 텅스텐 탄화물 역시 거의 비슷하게 효과적이며, 그 다음으로는 우라늄, 텅스텐, 구리, 물, 흑연, 철의 순서로 효과적이다.

탬퍼, 반사재 등을 고르는 것은 설계시 타협의 대상이다. 탬퍼, 반사재, pusher, 핵분열성 물질 등을 모두 합친 피트는 폭발 시에 안쪽으로 가속되어야 한다. 피트가 커질수록, 동일한 속도 및 압력을 얻기 위한 폭발물의 양은 많아야 한다. 초기 내폭형 핵무기는 무거운 pusher 와 탬퍼를 지녔는데, 그 당시 사용한 탬퍼는 천연 우라늄과 같이 적당하게 효과적인 반사재이기도 했다. 부양 형태나 혹은 밀도 낮은 피트는 폭발시의 에너지 효율을 증가시킨다. 만약 베릴륨으로 이루어진 매우 효율적이고 가벼운 반사재를 사용한다면 폭발시의 질량 효율성을 훨씬 더 높일 수 있다. 그러한 피트는 약간만 압축될 뿐이며, 핵분열 반응이 일정 수준에 도달하면 매우 급격하게 해체되게 된다.

핵융합 부스팅이 도입되기 이전에는, 효율적인 핵무기는 높은 질량을 지닌 탬퍼를 사용해야 하는지 아닌지에 관한 논쟁이 있었다. 하지만 핵분열율을 급격히 증가시켜주는 핵융합 부스팅이 도입된 현재에는, 탬퍼 매질이 없다고 해서 전혀 단점이 되지는 않는다. 탬퍼가 없어도 된다는 것은 핵무기의 소형화에 크게 기여하였다.

### 중성자 방아쇠/기폭 장치
핵무기가 정상적으로 동작하도록 하는 중요한 요소중의 하나는 바로 핵 연쇄 반응이 적절한 시기에 시작하도록 하는 것이다. 핵폭탄이 엄청난 양의 핵출력을 얻기 위해서는 충분한 양의 중성자가 적절한 시간에 초임계 중심에 존재하여야 한다. 만약 연쇄 반응이 너무 일찍 시작한다면, 폭발하기는 하겠지만 설계 목표에 훨씬 못미치는 이른바 불발에 가까운 핵출력이 일어날 것이다. 만약 너무 늦게 발생한다면, 폭발하지 않을지도 모른다. 이러한 까닭으로 중성자를 시간을 맞추어 발생시키는 여러 방법이 개발되어 왔다.

초기 중성자 방아쇠는 폴로늄-210이라는 방사성 동위원소로 이루어져 있었는데, Po-210은 강력한 알파선 방출원이며, 베릴륨은 여기서 나온 알파선을 흡수하여 중성자를 방출한다. Po-210은 140일 가량의 반감기를 지니고 있으므로 Po-210으로 이루어진 중성자 방아쇠는 자주 교체되어야 한다. Po-210은 핵반응로에서 만들어진다.

적절한 시간에 중성자로 이루어진 기폭 신호를 발생시키기 위해서는 폴로늄 및 베릴륨 두 물질이 서로 떨어져 있다가 폭발 순간에 빠르고도 완전하게 합쳐져야만 한다. 이러한 방식은 상대적으로 느린 포신형 핵무기에는 적당하지만, 내폭형 핵무기에 쓰이기에는 충분하게 정밀하지는 못하다. 팻 맨에서는 이러한 결합 방식 대신 세밀하게 만들어진 "urchin"이라는 이름의 기폭 장치를 사용했는데, 이는 베릴륨과 폴로늄이 얇은 금박으로 구분지어진 채 교대로 동심원을 이루는 구조였다.

다른 중성자 공급 방식은 펄스 중성자 방출기로, 이는 금속 수소화물로 된 목표물을 지닌 작은 이온 가속기이다. 이온원이 중수소나 삼중수소의 플라스마를 만들어내기 시작하면, 높은 전압이 관에 걸리게 되며, 전압이 걸린 관은 이온을 가속하여 스칸듐과 같은 삼중수소가 풍부한 금속 목표물에 부딪히게 한다. 이온은 가속되며, 높은 확률로 핵융합이 발생한다. 중수소-삼중수소의 핵융합은 짧은 펄스를 이루는 14 MeV 중성자를 방출하는데, 이는 핵 연쇄 반응을 유도하기에 충분하다. 펄스는 정밀하게 제어가능하며, 내폭형 핵폭탄에 보다 적절한 방법이다.

포신형 핵폭탄이 만약 "target capture"라는 방식을 사용한다면, 중성자 방아쇠는 핵무기의 효율성을 높이는 데 있어서 그다지 필수적인 사항이 아니다. 예를 들어 리틀 보이의 설계 막판이 되어서야 중성자 방아쇠가 추가되었을 뿐이다. 포신형 핵폭탄에서의 중성자 방아쇠는 단지 폭발 순간을 밀리초 단위로 정확하게 제어할 수 있도록 보장해주는 의미이다.

## 두 결합 방식의 비교
포신형 핵무기는 내폭형 핵무기가 완전하게 개발된 이후 미국에서 완전히 사라졌으며 더 이상 제작되지 않는다. 심지어 영국과 같은 핵 보유국은 포신형 핵무기를 제작한 적도 없다. 매우 농축된 우라늄-235가 필요하다는 것 이외에도, 포신형은 다른 어려운 제약 사항이 뒤따른다. 핵무기의 질량을 감소시키고 핵분열하는 물질의 비율을 높여주는 여러 다른 기법을 사용하기 위해서는 내폭형이 보다 적절하다.

포신형 핵무기는 여러 안전 문제가 존재한다. 예를 들어, 상대적으로 단순한 사고로 임계 질량을 달성 할 수 있는 질량 및 형태의 핵분열성 물질을 지닌 무기를 가지고 있는다는 것은 그 자체만으로도 위험하다. 게다가 핵무기가 비행기에서 바다로 떨어진다면, 바닷물이 경수의 역할을 해서 중성자 감속제로서의 작용을 하게 되며, 설령 핵무기가 물리적인 피해를 입지 않는다고 하더라도 심각한 사고가 발생할 수 있다. 이러한 두 위험성은 내폭형 핵무기에서는 일어나기 힘든데, 기본적으로 정확한 렌즈 폭발이 없이는 임계 질량에 결코 미치지 못하는 양의 핵분열성 물질이 있기 때문이다.

내폭형 핵무기의 경우 일반적으로 핵무기 중심에서 피트를 아예 물리적으로 제거한 채로 보존되며, 장전 과정에서 피트를 조립하게 된다. 그러므로 심지어 점화 기기에 오류가 발생해서 실제 폭발과 동일한 정확한 수순으로 폭발 렌즈가 동시에 작동한다고 하더라도 핵폭발은 발생할 수 없다.
It has also been hypothesized, based on open sources, that the Permissive Action Links for some types of nuclear weapons may involve the use of encoded secret timing offsets for the explosives in a given weapon's combination of explosives and lenses, needed to create a unified focus for the shockfront.
-->

안전을 기하는 다른 방식으로, 피트는 일반적으로 조밀하지 못하고 거의 비어있는 공간이므로, 그러한 공간에 금속 사슬과 같은 비활성 금속을 채워두는 방법이 있다. 사슬이 피트 중심에 있기 때문에, 피트는 핵분열을 할 수 있는 형태로 압축되지 못한다. 핵무기가 무장될때, 사슬이 제거된다.

심각한 화재는 핵탄두 내부의 통상 폭탄을 폭발시킬 수 있고, 이는 많은 핵 사고 목록에서 보듯이 피트를 파괴하고 플루토늄을 흩트려 주변을 오염시킬 수 있다. 하지만 이러한 경우에도, 핵폭발은 일어날 수 없다.

남아프리카 공화국의 핵 개발 계획은 내폭형 장치를 배제하고 포신형 기법을 채용한 거의 유일한 계획이었으며, 계획을 중단하기까지 5개 가량의 포신형 핵무기를 제작하였다.

## 핵분열 폭탄의 실질적인 제약
가장 강력한 순수 핵분열 폭탄은 Ivy King이었는데, 500 킬로톤의 핵출력을 보였으며, 이는 순수 핵분열 폭탄의 출력 상한선에 거의 근접한 수치이다. 많은 양의 핵분열성 물질을 아임계 상태로 폭발을 기다리며 유지하고 있는 것은 기술적으로 어려우며, 또한 핵폭발 전의 폭발을 막으면서 아임계 질량을 순식간에 초임계로 만드는 것 역시 매우 어려운 문제이다. 핵폭발 전의 폭발은 대부분의 연료를 사용되지 않은 채로 즉 핵분열을 일으키지 않은 상태로 날려버린다. 가장 효율적인 순수 핵분열 폭탄은 쪼개어지기 전에 ~25%의 핵분열성 물질을 소모할 수 있으며, 많은 경우는 훨씬 덜 효율적이다. 예로, 팻 맨은 14%의 효율성을 보였으며, 리틀 보이는 1.4%정도에 그쳤다. 큰 핵출력을 지니는 순수 핵분열 폭탄은 고농축 연료를 많이 사용하는 이유로 발생하는 무게, 크기, 가격으로 인해 그다지 효율적이지 못하다.

일부 핵분열 폭탄 설계에 있어 또 다른 제약은 전자 기기를 오동작을 방지하기 위해 일정 온도 내에 보관해야 한다는 사실이다. 일부 무기는 안정된 온도를 유지하기 위해 내부에 난방 장치를 설치하기도 하였다. 영국의 경우는 난방 장치를 이용한 방식 이외에도 좀 더 유별난 방식을 고안하기도 했다.