신 맨 (핵폭탄)

신 맨()은 미국이 맨해튼 프로젝트 기간 동안 부분적으로 개발했던 제안된 플루토늄 연료 포신형 핵폭탄의 코드명이다. 원자로에서 생산된 플루토늄의 자발 핵분열 속도가 플루토늄-240 동위원소의 높은 농도로 인해 포신형 설계에 사용하기에는 너무 높다는 사실이 발견된 후 1944년에 개발이 중단되었다.

 초기 결정 
1942년, 미국 육군이 전시 원자력 연구에 대한 통제권을 인수하여 맨해튼 프로젝트로 알려지게 되기 전, 로버트 오펜하이머는 6월 시카고와 7월 캘리포니아주 버클리에서 물리학자들이 핵폭탄 설계 문제를 논의하는 회의를 개최했다. 두 개의 임계 질량 미만 플루토늄을 "표적"에 "총알"을 발사하여 합치는 포신형 설계가 선택되었다. 내폭형 핵무기에 대한 대안적인 아이디어는 리처드 톨만이 제안했지만 훨씬 더 복잡했기 때문에 거의 고려되지 않았다.

오펜하이머는 1943년 초에 자신의 선택지를 검토했고 포신형 무기에 우선순위를 두었지만, 조기 폭발 위협에 대한 대비책으로 세스 네더마이어 휘하의 로스앨러모스 연구소에 E-5 그룹을 창설하여 내폭 방식을 조사하게 했다. 내폭형 폭탄은 압축된 핵분열성 물질이 더 빠르게 반응하여 더 완전하게 반응하기 때문에 폭탄 내 핵분열성 물질 단위 질량당 폭발 위력 측면에서 훨씬 더 효율적인 것으로 판단되었다. 그러나 불확실성이 가장 적은 프로젝트였기 때문에 플루토늄 포신형 폭탄이 연구 노력의 대부분을 차지하기로 결정되었다. 우라늄 포신형 폭탄은 그것으로부터 더 쉽게 적응될 수 있을 것으로 가정되었다.

 명명 

포신형과 내폭형 설계는 각각 "신 맨"과 "팻 맨"이라는 코드명이 붙었다. 이 코드명들은 오펜하이머의 제자였으며 맨해튼 프로젝트에서 일했던 로버트 서버가 만들었다. 그는 설계 모양을 기반으로 이름을 선택했다. 신 맨은 매우 긴 장치였으며 그 이름은 대쉴 해밋의 탐정 소설 그림자 없는 남자(The Thin Man)와 동명의 영화 시리즈에서 따왔다. 팻 맨은 둥글고 뚱뚱했으며 말타의 매에 나오는 시드니 그린스트리트의 캐릭터 이름을 따서 명명되었다. 리틀 보이 우라늄 포신형 설계는 나중에 나왔으며 신 맨과 대조하기 위해서만 명명되었다. 로스앨러모스의 신 맨과 팻 맨 코드명은 미국 육군 항공대(USAAF)에 채택되었다. 실버플레이트가 프랭클린 루즈벨트 대통령(신 맨)과 윈스턴 처칠 영국 총리(팻 맨)가 미국의 비밀 순방에 사용할 풀먼 자동차를 개조하는 것에 관한 것이라는 위장 스토리가 고안되었다. 육군 항공대 인원은 전화로 코드명을 사용하여 마치 루즈벨트와 처칠을 위해 비행기를 개조하는 것처럼 들리게 했다.

 개발 
플루토늄 포신 설계를 작업하기 위해 오펜하이머는 로스앨러모스 연구소에 수석 엔지니어 에드윈 맥밀런과 수석 물리학자 찰스 크리치필드, 조셉 허시펠더를 포함한 팀을 구성했다. 크리치필드는 사보트를 연구하고 있었는데, 오펜하이머는 임계 조립체가 필요로 하는 높은 포구 속도를 달성하기 위해 신 맨에 사보트가 필요할 것이라고 믿었다. 허시펠더는 강내탄도학을 연구하고 있었다. 오펜하이머는 미국 해군 대령 윌리엄 스털링 파슨스가 도착하여 병기 및 공학부를 인수하고 신 맨 프로젝트를 직접 관리하게 된 1943년 6월까지 설계 노력을 직접 이끌었다.

이 네 사람은 1943년 4월부터 1944년 8월 사이에 신 맨 설계의 모든 요소를 만들고 테스트했다. 해군용 근접 신관을 개발했던 파슨스는 부서를 운영하고 다른 기관과의 연락을 담당했다. E-6 발사체, 표적 및 소스 그룹의 책임자인 크리치필드는 임계 질량을 계산하고 20mm 기관포와 3인치 함포를 사용하여 축소 모델로 실사격 테스트 시스템을 구축했다. 이것들은 쉽고 빠르게 구할 수 있었던 반면, 실물 크기의 신 맨 튜브는 생산하는 데 몇 달이 걸렸다. 플루토늄을 아직 사용할 수 없었기 때문에 플루토늄으로 테스트를 수행하는 것은 불가능했다. 실제로 당시 금속의 실제 물리적 특성은 경험에 입각한 추측에 불과했다.

허시펠더는 E-8 내부 탄도학 그룹을 이끌었다. 그의 그룹은 수학적 계산을 수행했지만 적절한 화약, 점화기, 뇌관도 식별해야 했다. 그의 그룹은 선택한 재료로 실물 크기 테스트를 수행했다. 폭탄의 물리적 크기를 고정하는 것은 폭탄을 운반할 적절한 항공기를 선택할 때 중요한 것으로 판명되었다. E-8 그룹은 포구 속도를 1944년에 달성 가능한 최대치에 가까운 약 3,000ft/s로 추정했고, 포신 내부 압력이 최대 75,000psi가 될 것이라고 계산했다.

무기 설계자들은 단순히 임계 질량을 합치는 것만으로 충분할 것이라고 생각했지만, 서버는 설계에 개시제도 포함되어야 한다고 제안했다. 폴로늄-210-베릴륨 개시제는 폴로늄 210의 반감기가 140일로 비축이 가능하고 온타리오주 포트호프의 천연 광석에서 얻을 수 있었기 때문에 선택되었다. 오펜하이머는 또한 테네시주 오크리지에 있는 클린턴 엔지니어 웍스의 X-10 흑연 원자로나, 가능해지면 워싱턴주의 핸포드 엔지니어 웍스에 있는 원자로에서 제조되도록 요청했다.

 제원 

섬네일|로스앨러모스 앵커 랜치에서 테스트 중인 "신 맨" 포신 프로토타입

신 맨 설계는 플루토늄이 우라늄-238의 조사로 원자로에서 성공적으로 증식되기 전에 제안된 초기 핵무기 설계였다. 우라늄-235와 마찬가지로 플루토늄도 임계 미만 조각 하나를 다른 조각에 쏘는 포신형 방식으로 임계 질량으로 조립될 수 있다고 가정되었다. 조기 폭발이나 "피즐을 방지하기 위해 플루토늄 총알은 최소 3,000ft/s(910m/s)의 속도로 가속되어야 했다. 그렇지 않으면 조립이 완료되기 전에 핵분열 반응이 시작되어 장치가 조기에 폭발해 버릴 수 있었다.

신 맨은 길이가 17ft였고, 꼬리와 기수 조립체 너비는 38in, 중앙 부분은 23in였다. 길이는 플루토늄 총알이 표적에 도달하기 전에 적절한 속도를 달성하기 위해 필요했다. 무게는 최종 무기 모델의 경우 약 8,000lb였다. USAAF 재고 목록에는 개조 없이는 신 맨을 운반할 수 있는 항공기가 없었으며, 1943년 노먼 램지는 33ft 길이의 폭탄창 덕분에 신 맨을 내부적으로 운반할 수 있는 유일한 항공기로 영국의 아브로 랭커스터를 제안했다. 그러나 미국의 보잉 B-29 슈퍼포트리스는 주 날개 스파 아래의 격벽 일부와 두 폭탄창 사이에 위치한 일부 산소 탱크를 제거하여 운반하도록 개조할 수 있었다. 이 개조는 보잉 위치타 생산 라인에서 나온 58번째 생산 예시인 AAF 일련번호 42-6259에서 수행되었다.

램지가 랭커스터를 제안했지만 USAAF 참모총장 중장 헨리 H. 아놀드는 그 제안을 거부하고 미국 기종, 구체적으로 B-29를 선호했다. 신 맨과 팻 맨 모의 폭탄 투하 시험 전에 맨해튼 프로젝트 책임자인 준장 레슬리 그로브스는 B-29가 생산 중이긴 했지만 여전히 부족했기 때문에 시험용으로 랭커스터를 사용할 것을 제안했다. 아놀드는 B-29 개발에 많은 시간과 비용을 투자했기 때문에 그 제안을 다시 거부했다.

 설계 문제 
 공기역학 
섬네일|"신 맨" 포신형 원자폭탄의 탄도 테스트를 위해 제작된 초기 축소 모델. 이 초기 테스트에서는 표준 500lb 중력 폭탄, 14인치 직경 파이프, 상자 꼬리로 만든 14/23 축소 모델을 사용했다. 결과는 매우 나빴다.

신 맨 폭탄의 긴 길이는 공기역학적 불안정성을 초래했다. 1943년 8월부터 버지니아주 달그렌에 있는 미 해군 시험장에서 그루먼 TBF 어벤저에서 폭탄의 축소 모델을 투하했다. 폭탄은 투하된 후 옆으로 회전하여 지면에 부딪혔을 때 부서졌다. 1944년 3월 신 맨을 개선하기 위해 중단되기 전까지 24번의 투하가 수행되었다. 폭탄이 즉시 방출되지 않아 보정 테스트를 방해했다. 1944년 3월 16일 시리즈의 마지막 비행 테스트가 된 비행에서 신 맨이 B-29가 시험장으로 가는 도중에 조기에 방출되어 폭탄창 문에 떨어져 시험 항공기에 심각한 손상을 입혔다. 폭탄창에 폭탄을 매달아 놓는 데 사용된 수정된 글라이더 견인 고리 메커니즘은 폭탄의 큰 무게로 인해 네 번의 오작동을 일으켰다. 이들은 12,000lb 톨보이를 운반하기 위해 랭커스터에서 사용된 것과 같은 영국식 G형 단일 지점 부착물 및 F형 릴리스로 교체되었다.

 조기 폭발 
플루토늄 폭탄의 실행 가능성은 1942년에 의문시되었다. 제임스 브라이언트 코넌트는 11월 14일 영국 튜브 엘로이 프로젝트 책임자인 월리스 에이커스로부터 제임스 채드윅이 "플루토늄은 불순물 때문에 무기에 실용적인 핵분열성 물질이 아닐 수 있다는 결론을 내렸다"는 말을 들었다. 코넌트는 어니스트 로렌스와 아서 콤프턴에게 자문을 구했고, 그들은 각각 버클리와 시카고에 있는 과학자들이 이 문제에 대해 알고 있지만 즉각적인 해결책을 내놓을 수 없다는 것을 인정했다. 코넌트는 맨해튼 프로젝트 책임자인 준장 레슬리 R. 그로브스 주니어에게 알렸고, 그는 로렌스, 콤프턴, 오펜하이머, 맥밀런으로 구성된 특별 위원회를 소집하여 문제를 조사하게 했다. 위원회는 더 높은 순도를 요구함으로써 문제를 극복할 수 있다고 결론지었다.

1944년 4월, 로스앨러모스의 에밀리오 세그레와 그의 P-5 그룹이 X-10 흑연 원자로에서 생산된 원자로 플루토늄에 대해 실험한 결과 플루토늄에 동위원소 플루토늄-240 형태의 불순물이 포함되어 있음이 밝혀졌다. 이것은 플루토늄-239보다 훨씬 높은 자발 핵분열 속도를 가지고 있다. 원래 측정이 이루어졌던 사이클로트론 생산 물질은 플루토늄-240의 흔적이 훨씬 적었다. 원자로에서 증식된 플루토늄에 포함되는 것은 피할 수 없어 보였다. 이는 원자로 플루토늄의 자발 핵분열 속도가 너무 높아서 초기 임계 질량이 형성되는 동안 조기 폭발하여 스스로 날아가 버릴 가능성이 매우 높다는 것을 의미했다. 조기 폭발 가능성이 낮은 속도로 플루토늄을 가속하는 데 필요한 거리는 기존 또는 계획된 폭격기에는 너무 긴 포신을 요구했다. 실행 가능한 폭탄에 플루토늄을 사용하는 유일한 방법은 내폭이었는데, 이는 훨씬 더 어려운 엔지니어링 작업이었다.

플루토늄을 사용한 포신형 폭탄의 비실용성은 1944년 7월 17일에 열린 회의에서 합의되었다. 맨해튼 프로젝트의 모든 포신형 작업은 리틀 보이 농축 우라늄 포신 설계로 향했고, 로스앨러모스 연구소의 거의 모든 연구는 팻 맨 폭탄의 내폭 문제로 방향을 바꿨다.

 참고문헌 











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