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한국에서는 3월에 개구리가 동면에서 깨어나 산란을 시작하는데, 산란은 연못·소택지·하천 등의 물 속에서 하는 것이 보통이다. 개구리는 거의 전세계에 분포하나 그 중에서도 송장개구리에 속하는 것의 분포도가 가장 넓으며, 가장 북방까지 분포하는 것은 북방산개구리로 그 분포도가 북극권까지 미치고 있다. 개구리는 수리부엉이, 뱀, 수달, 왜가리, 백로, 붉은배새매, 물총새, 물장군, 큰노랑테먼지벌레, 족제비, 담비, 밍크, 황새, 해오라기, 개구리매, 솔개, 가물치, 메기 같은 천적에게 잡아먹히고 파리, 모기, 각다귀, 메뚜기, 풀무치 등을 잡아먹는다. 개구리는 긴 혀로 먹이를 잡는데, 혀는 먹이의 움직임에 반응하여 입에서 쏘듯이 튀어나와 잡는다. 많은 개구리가 위턱에만 이가 있고, 두꺼비는 아예 이가 없다. 따라서 두꺼비와 개구리는 먹이를 통째로 삼킨다. 이렇게 통째로 삼키는 것을 쉽게 하기 위해 개구리의 눈은 두개골의 구멍 안쪽으로 들어가 있다. 먹이는 목구멍으로 밀려 들어가 소화된다. 개구리는 사람에게 여러 모로 이로운 동물이다. 나쁜 질병을 옮기는 수많은 곤충을 잡아먹으며, 또한 사람에게 단백질을 제공하는 음식으로 이용된다. 또 새로운 약을 시험하는 데 사용하며, 해부학 실험에도 이용된다. 사람들은 이런 용도로 쓸 개구리를 대부분 야생에서 잡고 있다. 오늘날 많은 개구리의 서식처가 파괴되고 물이 오염되어 생존을 위협받고 있다.
대다수의 개구리는 물 속에서 교미를 한다. 영양 상태가 좋은 연못에서는 해를 거듭할수록 개구리 수가 크게 증가한다. 겨울잠을 잔 연못이 짝짓기 할 연못으로 적당하지 않을 경우에는 대개 짝짓기할 장소를 찾아 긴 여행을 떠난다. 겨울잠을 자는 데는 진흙 바닥만 있어도 적당하지만 짝짓기를 해서 새끼를 낳기 위해서는 조류(藻類)가 풍부한 연못이 좋다. 짝짓기는 보통 수컷이 먼저 물로 들어가 암컷을 유혹하는 울음소리를 낸다. 암컷이 물로 들어오면 수컷은 암컷의 등에 달라붙어 암컷을 붙잡는다. 이 자세에서 수컷은 암컷의 몸에서 떨어지는 알 위에 정액을 뿌려 수정시킨다. 알이 부화하는 데 걸리는 시간은 3-25일이다. 알의 크기·색깔·모양은 종에 따라 다른데 젤리 같은 물질이 알을 감싸고 보호한다. 이 알과 젤리의 덩어리를 난괴(알덩어리)라고 한다. 몇몇 개구리는 한 번에 수천 개의 알을 낳지만 이 중에서 극히 적은 수만이 개구리로 성장할 수 있다. 오리·물고기·곤충 등 수생생물이 많은 개구리 알을 먹어치우기 때문이다. 알이 부화하여 올챙이가 되더라도 보다 큰 수생동물에게 잡아먹힌다. 또한 연못이나 개울이 말라버려 올챙이가 죽기도 한다. 개구리는 전할을 하는 다른 동물에 비해 부등할을 하므로 동물극 쪽의 할구가 작다. 포배·낭배·신경배 등의 시기를 거쳐 오뚝이형의 배로 되며, 다음에 꼬리가 길어지면서 겉아가미가 생기고, 이 때쯤에 부화되어 수중을 헤엄쳐 나와 올챙이의 형태로 된다. 이 때 올챙이는 입이나 작은 빨판을 이용해서 물 속의 물체에 달라붙는다. 올챙이는 목이 없어 머리와 몸통은 원 모양에 가깝고, 긴 꼬리가 있으며, 작은 물고기처럼 보인다. 올챙이는 피부에 덮인 아가미가 있고 이 아가미로 호흡한다. 올챙이는 자라면서 점차 생김새가 변하는데, 꼬리가 커지면서 헤엄을 칠 수 있어서 먹이도 자유롭게 얻을 수 있다. 올챙이의 입은 수생식물인 조류를 뜯어먹기에 알맞게 되어 있다. 또 몇몇 종의 올챙이는 개구리의 알과 올챙이를 먹는다. 올챙이의 꼬리가 더 길어지면서 겉아가미는 없어지고 속아가미가 생기며, 그 바깥쪽은 호흡공(呼吸孔)으로 나고 피부로 둘러싸인다. 다음에 뒷다리가 나오고 이것이 크게 될 때쯤 피하에 발달되어 있던 앞다리가 바깥으로 나오며 꼬리의 퇴화가 시작된다. 이 때가 되면 속아가미도 퇴화하고 폐가 활동하게 된다. 개구리의 알은 크기가 2-3mm로 비교적 사육하기 쉽고 관찰하기에 편리한 점 등으로 발생학 연구에 필수적이다.
개구리의 몸체는 머리·가슴·다리의 세 부분으로 되어 있다. 좌우대칭이며, 전후·등배도 잘 분화되어 있다. 머리는 편평하며 삼각형에 가깝고, 눈 위아래로 눈꺼풀이 있으나 위쪽 눈꺼풀은 움직이지 않는다. 눈의 뒤쪽에는 원형 또는 타원형의 고막이 있다. 입은 크고 입을 열면 위턱의 가장자리에 작은 턱니가 나란히 있다. 이빨은 먹이를 씹는 데 쓰지 않고 먹이를 놓치지 않도록 잡는 데 이용된다. 개구리는 길고 강한 뒷다리가 있어 뛰어오를 때 사용한다. 평평한 곳에서는 몸길이의 20배까지 뛸 수 있다. 개구리는 또한 긴 뒷다리로 수영을 하며 물에서 사는 종은 뒷발에 물갈퀴가 있다. 작은 앞다리는 개구리가 앉아 있을 때 몸을 지지해주고, 뛰어올랐다 떨어질 때 충격을 줄여 준다. 나무에 사는 개구리는 발가락 끝에 작은 빨판이 있어, 나무를 오를 때 나무 줄기에 매달릴 수 있다. 소화관은 식도·위·십이지장·대장·직장으로 나누어져 있고, 올챙이 시기에 비하면 장의 비율이 짧아진다. 호흡은 아가미·폐·피부로 하며, 폐의 구조는 간단하고, 심장은 2심방 1심실이다. 개구리의 피부는 얇고 물기에 젖어 있다. 많은 종이 피부에 독 분비선이 있어, 독을 피부 위로 분비해 자신을 보호한다. 적이 독 있는 개구리를 덮치면 독이 공격자의 입을 자극하여 그 사이에 개구리는 도망갈 수 있다. 대뇌와 소뇌는 그리 발달되지 않았으나 중뇌는 비교적 발달하여 있고 여기에서 큰 시신경이 나와 있다. 개구리의 암수는 서로 다른 구조를 하고 있다. 개구리의 수컷은 번식기에 암컷을 유인하기 위해 울음소리를 낸다. 대부분의 수컷은 울음주머니가 있는데, 소리를 낼 때는 크게 부풀어오른다. 울음주머니가 있는 종은 없는 종보다 더 큰 소리를 낼 수 있다. 몇몇 종의 수컷은 짝을 부를 때뿐만 아니라 자신의 텃세권을 알릴 때에도 소리를 낸다.
기르기.
어항에 씻은 강모래를 넣고 물풀을 심는다. 어항에 우물물이나 냇물, 또는 받아 놓은 지 2-3일 지난 수돗물을 넣는데, 물의 깊이는 5-10cm 정도가 좋다. 물은 2-3일에 한 번씩 갈아 주는데 반씩만 새 물로 갈아 준다. 어항은 햇빛이 드는 따뜻한 곳에 둔다.
올챙이가 발이 나오기 시작하면 어항 바닥에 자갈을 깔거나 커다란 돌을 넣어 섬을 만들어 준다. 코가 가는 철망으로 뚜껑을 하여 도망가지 못하도록 해 놓고 먹이는 바퀴벌레·파리·메뚜기·귀뚜라미 같은 곤충이나 거미, 지렁이같이 살아 있는 것을 준다.
겨울잠 관찰.
10월 말부터 11월 무렵은 개구리가 겨울잠을 자기 시작하는 시기이다. 부드럽게 부수어 놓은 흙을 어항에 넣고, 그 위에 낙엽을 두껍게 깔아 개구리가 흙 속으로 파고들어갈 수 있도록 해 준다. 흙이 마르지 않도록 이따금 물뿌리개로 물을 뿌려 주고 공기가 통할 수 있도록 틈을 만들어 놓은 다음 유리로 뚜껑을 덮는다. 어항은 햇빛이 잘 비치는 툇마루 밑 같은 곳에 둔다. 기온이 10°C 이상이 되면 개구리는 봄이 된 줄 잘못 알고 겨울잠에서 깨어나와 버릴 수도 있다. 따라서 5°C 정도인 곳에 두도록 한다.
개구리목에는 약 5,070 종이 속한다. 개구리목은 크게 3개 아목으로 나눈다.
이동방법.
개구리는 땅에서는 폴짝폴짝 뛰어다니고 물속에서는 헤엄쳐서 움직인다. 뒷다리에 물갈퀴가 있다. 뒷다리가 앞다리보다 더 길다. 긴 뒷다리를 이용해 힘차게 뻗어 뛰어오른다. 개구리는 땅에서는 폴짝폴짝 뛰어다니고 물속에서는 헤엄쳐서이동한다.
핵무기 설계(核武器設計, )란 핵무기가 폭발하도록 하는 물리, 화학, 공학의 집적 과정이다. 핵무기 설계는 일반적으로 무기의 에너지원에 따라 두 부류로 나눌 수 있다.
이 두 형태의 무기의 구분은 실제로는 불명확하며, 이는 거의 모든 현대 무기에는 두 가지의 특성이 산재해 있기 때문이다. 즉 작은 핵분열 폭탄이 핵융합 이전에 필요한 높은 온도 및 압력을 얻기 위해 사용된다는 것이다. 또한, 핵융합 물질 역시 핵분열 장치의 내부에 존재할 수 있으며, 이러한 물질은 추가적인 중성자를 생성해 핵분열 반응의 효율성을 높여주기도 한다. 대부분의 핵융합 무기는 에너지 생성분의 상당량(종종 총 생산량의 거의 반에 가깝기도 한 양)을 핵융합 반응으로 시작된 마지막 단계의 핵분열을 통해 얻기도 한다. 핵분열 및 핵융합 무기의 공통된 특징은 원자핵의 변형을 통해 에너지를 방출한다는 것이며, 이러한 특징을 가장 잘 나타내는 용어는 바로 핵폭탄이다.
핵분열 무기.
가장 단순한 핵무기는 순수한 핵분열 폭탄이다. 이 종류는 맨해튼 계획이 설계한 최초의 핵무기이며, 앞으로 등장할 발전된 형태의 핵무기의 기본 구성요소이다.
임계 질량.
핵분열시의 핵 연쇄 반응은 핵분열성 물질의 크기, 모양, 순도, 및 주변의 물질에 좌우된다. 만약 핵분열성 물질의 질량이 연쇄 반응을 지속할 수 있을 정도가 되면, 이를 임계 질량이라고 한다. 질량이 임계 질량인지 아닌지를 나타내는 수치인 유효 중성자 곱인자 "k"는 다음과 같이 나타난다.
여기서 "f"는 매 핵분열 반응시 방출되는 중성자의 평균 개수이며, "l"은 전체 계를 떠나거나 혹은 핵분열 외의 물질에 사로잡혀 사라지는 중성자의 평균 개수이다. "k"가 1일 경우 임계(critical)라고 하며, 1보다 작으면 아임계(亞-, subcritical), 1보다 클 경우 초임계(超-, supercritical)이라고 한다. 핵분열 폭탄은 핵분열성 물질의 아임계 질량을 초임계 질량으로 급격하게 바꿈으로서 작동하게 되며, 이러한 변화는 급속도로 연쇄 반응을 촉진시켜, 엄청난 에너지를 방출한다.
실제로는, 질량은 약간의 초임계로는 만들어지지 않는다. 대신, 약간의 아임계("k"=0.9)로부터 높은 초임계("k"=2 나 3)로 갑작스럽게 변하며, 각 중성자는 새로운 중성자를 만들어내며, 연쇄 반응은 더욱 급격하게 진행되게 된다. 핵분열을 이용하여 효율적인 폭탄을 만들 때 중요한 것은 충분한 양의 에너지가 방출되도록 오랫동안 폭탄을 흩어지지 않도록 하는 것이다.
폭발 이전의 핵무기는 하나 혹은 두 개의 아임계 질량의 핵분열성 물질을 지니고 있다. 하나의 아임계 물질을 지니는 폭탄은 압축 과정을 통해 초임계 상태가 된다. 두 개의 아임계 물질을 지니는 폭탄도 한다. 두 개의 아임계 물질 중 하나는 질량이 적어서 아임계 상태이며, 다른 하나는 부적절한 모양이기 때문에 아임계 상태이다. 하지만 두 물질이 합쳐진다면, 예로 첫 번째 물질이 두 번째 물질의 구멍에 들어가서 완전한 형태의 초임계 상태가 된다면 폭발하게 되는 것이다. 간혹 낮은 출력의 핵무기의 경우 두 번째 물질 역시 질량이 부족해서 아임계 상태일 수도 있다.
효율적인 폭발을 위해, 핵분열성 물질은 매우 빠른 속도로 최적의 초임계 상태에 놓여야 한다. 즉 너무 일찍 연쇄 반응이 시작해서는 안된다는 것이다. 이럴 경우 물질은 연쇄 반응에 의해 가열되며, 팽창하게 되어 최적상태에서 멀어지게 되는 것이다. 그러므로, 매우 적은 물질만이 핵분열을 하게 되고, 효율성 역시 극도로 떨어진다.
핵분열 무기에 적절한 동위원소는 높은 확률로 핵분열을 일으키면서, 핵분열 과정에서 많은 수의 여분의 중성자를 생성하며, 또한 핵분열과 무관하게 중성자를 흡수하지 말아야 하고, 마지막으로 낮은 자발 핵분열 비율을 지니고 있어야 한다. 위의 조건을 만족하는 주요한 동위원소는 우라늄-235, [[플루토늄-239], 우라늄-233이다.
농축 물질.
[[우라늄-235]]와 [[플루토늄-239]는 이제까지의 핵폭탄에서 사용된 핵분열성 물질이었다. 대부분의 경우에, 이런 농축 물질을 생산하고 조달하는 일이 핵무기 개발에 있어 가장 어려운 부분이다. 예를 들어, [[맨해튼 계획]]에서 90% 가량의 예산이 농축 물질을 생산하는 설비를 마련하는 데 사용되었다. 현대의 피트(아래 참조)는 일반적으로 우라늄-235와 플루토늄-239이 혼합되어 구성된다.
최근 [[미국]]이 우라늄-233을 이용한 시험용 폭탄을 시험하였으며, 이 폭탄은 [[인도]]의 핵무기 계획에 포함될 가능성이 있다.
비록 어느 국가도 사용한 적은 없지만, 몇몇 다른 [[동위원소]] 역시 핵폭탄에 사용될 잠재적인 가능성이 있다. [[1992년]] 미국 에너지부는 [[넵투늄]]-237이 핵폭탄에 사용될 수 있다는 사실을 비밀 해제하였다.
우라늄-235.
자연적으로 생겨나는 [[우라늄]]은 99.29%의 대부분을 동위원소인 U-238이 차지하고 있으며, 핵분열성 동위원소인 U-235는 단지 0.71%만을 차지하고 있다. U-238은 높은 확률로 [[핵분열]] 없이 [[중성자]]를 흡수하며, 또한 높은 [[자발 핵분열]] 비율을 가지고 있다. 이러한 특징은 U-238이 핵폭탄 내부에 너무 많을 경우 [[핵 연쇄 반응]]이 성공적으로 일어나지 않을 것임을 의미한다. 무기로 사용하기 위한 우라늄은 여러 [[동위원소 분리]] 방식을 이용하여 농축되며, 대개의 분리 방식은 U-235가 U-238보다 아주 약간 가볍다는 것을 이용한다. 이 과정은 핵무기 생산 계획에서 가장 어려운 부분이며, 모든 형태의 동위원소 농축 방식은 첨단 기술이 필요하다.
20% 이상의 U-235가 포함된 우라늄은 매우 농축된 우라늄이라고 하며, 무기로 사용할 만한 우라늄은 적어도 93.5%의 U-235를 지녀야 한다. U-235의 [[자발 핵분열]] 비율은 1 kg당 매 초 0.16 핵분열이며, 이러한 낮은 핵분열 비율로 인해 초임계를 달성하기 위한 두 핵분열성 물질의 결합 과정은 상대적으로 쉽다. 중성자 반사재가 없는 U-235 구의 임계 질량은 약 50 kg으로, 직경 약 17 cm의 구이다. 만약 구를 둘러싼 중성자 반사재가 있다면, 임계 질량은 15 kg 정도로도 낮아질 수 있다.
플루토늄-239.
[[파일:Pu,94.jpg|오른쪽|섬네일|200px|[[증식로]]에서 만들어진 플루토늄]]
[[플루토늄]]은 [[원자 번호]]가 94로 [[우라늄]]보다 2가 높다. 자연적으로는 플루토늄은 우라늄 광석에 아주 적은 양이 존재할 뿐이다. 군사용 혹은 연구용으로 필요한 플루토늄은 정제된 U-238을 [[증식로]]와 같은 강한 [[중성자]]원에 노출함으로써 얻을 수 있다. U-238이 중성자를 흡수하면 U-239이 만들어지며, 이후 두 번의 [[베타 붕괴]]를 거쳐 플루토늄-239(Pu-239)가 된다. Pu-239는 U-235에 비해 보다 높은 핵분열 확률을 지니며, 또한 매 핵분열시 보다 많은 수의 중성자를 생성한다. 이러한 이유로 플루토늄은 우라늄에 비해 임계 질량이 보다 낮다. 순수한 Pu-239는 자발 핵분열로 인한 중성자 방출 비율이 상당히 낮으며(1 kg당 매 초 10 핵분열), 이 역시 폭발전의 초임계 결합을 더 쉽게 한다.
하지만 실제적으로, [[증식로]]에서 생성된 [[플루토늄]]은 일정 량의 Pu-240을 지니고 있다. 이는 Pu-239가 생성 도중 추가의 [[중성자]]를 흡수하는 경향이 있기 때문이다. Pu-240은 높은 [[자발 핵분열]] 비율(1 kg당 매 초 415,000 핵분열)을 가지며 핵무기에 매우 부적절한 불순물이다. 이 제약으로 말미암아 플루토늄으로 만들어지는 핵무기는 포신형이기보다는 내폭형이 되어야 한다(구체적인 형태의 설명은 이후를 참조하라). 무기로 쓰기 위한 수준의 플루토늄은 Pu-240을 7% 이내로 가져야 한다. Pu-240이 낮은 비율로 포함된 플루토늄을 얻기 위해서는 U-238을 최소한의 시간 동안 중성자원에 노출하여 Pu-239가 중성자를 포획할 확률을 낮춘다. 중성자 반사재가 없을 경우 플루토늄 구의 임계 질량은 16 kg이지만, 반사재가 있을 경우의 임계 질량은 10 kg이며, 대략 10 cm 지름의 구이다.
대략 핵 연쇄 반응은 80 세대가 발생하며, 매 세대는 중성자가 10,000 km/s의 속도로 10 cm를 나아갈 정도의 시간이 필요하다. 다시 말해, 각 세대는 0.01 µs이며, 전체 연쇄 반응의 시간은 이 시간의 80 배이다. 그러므로 초임계 질량은 대략 1 µs 동안 뭉친채로 유지되어야 한다.
우라늄-233.
우라늄-233(U-233)은 인공적으로 만들어진 [[동위원소]]이다. 핵반응로에서 [[토륨]]-232로부터 만들어진다. U-233의 분열 특성은 U-235와 Pu-239의 중간 정도이다.
효율성.
핵분열 무기의 효율성이란 핵분열성 물질 중 실제로 핵분열하는 물질의 비율이다. 최대 값은 25% 정도이다. [[팻 맨]]의 경우는 14%정도였으며, [[리틀 보이]]는 겨우 1.4% 정도였다. [[#핵융합 부스팅|핵융합 부스팅]]은 핵분열 효율을 40%까지 높일 수 있다.
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.
[[파일:Gun-type Nuclear weapon.png|오른쪽|섬네일|360px|포신형 초임계 결합]]
초임계 질량을 달성하는 가장 쉬운 방법은 [[핵분열성 물질]]을 두 부분으로 구성하여, 하나를 다른 하나에 대고 [[총]]처럼 쏘는 것이다. 이러한 방식을 포신형(砲身型, gun type)이라고 하며, [[히로시마시|히로시마]]에 떨어진 [[리틀 보이]]가 포신형이었다.
두 물질을 합치는 데 상대적으로 긴 시간이 걸리기 때문에, 이러한 결합 방식은 단지 [[우라늄-235]]에만 사용될 수 있다. [[플루토늄-239]로 이루어진 폭탄의 경우, 필연적인 불순물인 플루토늄-240의 높은 [[자발 핵분열]] 비율로 인해 핵폭발 이전에 핵분열이 일어날 가능성이 높다.
[[핵 연쇄 반응]]이 적당한 시간에 빨리 시작하기 위해서는 중성자 방아쇠가 사용되며, 이에 관해서는 아래 항목을 참조하기 바란다.
[[리틀 보이]]는 80%의 순도의 U-235 60 kg(즉 48 kg의 U-235)을 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 [[우라늄]]만 있다면, 상대적으로 기술 수준이 낮은 국가나 단체도 비록 비효율적이지만 여전히 강한 포신형 핵폭탄을 제조할 수 있다. [[리틀 보이]]를 제작한 과학자들은 성공 가능성을 너무 신뢰한 나머지 전쟁에서 사용하기 전에 [[핵실험]]을 거치지도 않았다.
내폭형.
[[파일:Implosion Nuclear weapon.png|오른쪽|섬네일|360px|내폭형 핵무기의 개요]]
포신형보다 어렵지만, 많은 면에서 우수한 결합 방식이 바로 내폭형(內爆型, implosion type)이다. 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.
[[파일:Implosion bomb animated.gif|왼쪽|175px]]
[[플루토늄-239]]를 결합하는 경우, 1% 정도밖에 안되는 플루토늄-240이라는 불순물이 [[자발 핵분열]]로부터 너무 많은 [[중성자]]를 생성하므로, 포신형 핵폭탄의 경우는 완전히 조립되기 이전에 [[핵분열]]을 시작해버릴 가능성이 있다. 이러한 까닭으로 포신형 핵폭탄은 매우 낮을 효율성을 지닌다. 즉, 플루토늄 폭탄에 대해서는 기술적으로 보다 어려운 내폭형을 사용해야 하며, [[나가사키시|나가사키]]에 떨어졌던 [[팻 맨]]이 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 반응]]의 중성자 곱인자 "k"를 증가시키는 것과 동일하기 때문이다. 현대의 대부분의 핵무기는 핵폭탄 탄두의 통상 폭탄 가운데에 밀도가 낮은 플루토늄 중심부, 즉 다른 말로 "피트"(pit)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 머신]]은 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 설계]]를 참조하길 바란다.
피트.
[[플루토늄]]을 주조해서 가공하는 것은 매우 어려운데, 이는 독성 때문만이 아니라 플루토늄이 매우 다양한 금속상(metallic phase)을 지니고 있기 때문이다. 플루토늄은 식어감에 따라 상이 자주 변하며 이는 형태를 비뚤어지게 한다. 이러한 상 변화는 일반적으로 3-3.5 molar%(질량대비 0.9-1.0%)의 [[갈륨]]을 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]](trivalent metal) 역시 사용가능하지만, 갈륨은 낮은 [[중성자]] [[흡수 단면적]]을 지니며, 플루토늄이 [[부식]]되는 것을 막아준다. 단점으로는 갈륨 화합물 역시 부식성을 지니며, 만약 플루토늄이 폐기된 핵 무기로부터 추출되어 [[핵 발전기]]에 쓰이기 위해 [[플루토늄 산화물]] 형태로 변경될 때, 갈륨을 없애는 것이 어렵다는 것이다. 현대의 피트는 종종 플루토늄과 [[우라늄-235]]의 혼합물로 이루어진다.
만약 플루토늄이 어떠한 방식으로든 체내에 들어가게 되면, 높은 화학 반응성과 독성으로 말미암아 위험하기 때문에, 피트는 보통 얇은 비활성 금속으로 감싸둔다. 예전에는 [[니켈]]이 사용되었지만, 현재는 [[금]]을 주로 사용한다.
폭발 렌즈.
탬퍼(tamper, 핵분열성 물질을 감싸면서 폭발시 보다 효율적으로 압축되로록 해 주는 매질) 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 [[성형작약]]의 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 detonator]](EBW)의 개발이 필요했는데, EBW는 동시에 폭발하는 장치로, 각 렌즈의 중심에서 동시에(100 나노초 이내) 폭발이 시작되도록 하는 장치이다.
[[나가사키시|나가사키]]에 떨어진 [[팻 맨]]은 32개의 렌즈를 사용해서 [[정20면체]] 형태를 이루었으며, 이후의 보다 효율적인 폭탄은 40, 60, 72, 92개의 렌즈를 사용한다.
[[slapper detonator]]는 EBW와 비슷하지만, 보다 효율적인 장비로, 이후 EBW를 대체하였으며, 요즘에는 핵폭탄을 비롯하여 통상 폭탄에도 사용되고 있다.
[[성형작약]] 항목도 참조하기 바란다.
핵분열 폭탄에서 피트를 감싸는 폭탄이 폭발하면서 생기는 충격파는 너무나도 짧은 시간 지속되므로, 피트의 일부만이 압축되게 된다. 때로는 [[알루미늄]], [[베릴륨]], 혹은 두 금속의 [[합금]]과 같은 낮은 밀도의 금속으로 이루어진 pusher 층이 폭발 렌즈와 탬퍼 사이에 놓이기도 한다(알루미늄이 비록 안전하고 가공하기도 쉽지만, 베릴륨은 효율적인 [[중성자]] 반사재인 면이 있다). 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 [[미국]]의 핵무기는 이른바 피트 "부양"이라는 기법을 도입하였는데, 이는 pusher와 피트 사이에 공기 층을 두는 것이다(그래서 피트가 떠 있다는 의미에서 부양이라고 한다). 공기 층의 효과는 pusher가 피트에 닿기 전에 충분한 관성을 얻도록 하는 것이며, 이는 보다 효율적이고 완전하게 피트가 압축되도록 한다. 이를 비유하면, [[망치]]로 [[못]]을 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(아래의 [[#핵융합 부스팅|핵융합 부스팅]]을 참고하기 바란다).
탬퍼 반사재.
탬퍼는 핵분열성 물질을 감싸는 선택적인 층으로 일반적으로 천연 [[우라늄]], [[열화 우라늄]], 혹은 [[텅스텐]]과 같은 밀도 높은 물질로 구성된다. 탬퍼는 [[임계 질량]]을 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 [[장력]]이 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 반응]]이 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 [[베릴륨]]은 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]], [[철]]의 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.
핵무기가 정상적으로 동작하도록 하는 중요한 요소중의 하나는 바로 [[핵 연쇄 반응]]이 적절한 시기에 시작하도록 하는 것이다. 핵폭탄이 엄청난 양의 핵출력을 얻기 위해서는 충분한 양의 [[중성자]]가 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]]-210(Po-210)이라는 [[방사성]] [[동위원소]]로 이루어져 있었는데, Po-210은 강력한 [[알파선]] 방출원이며, [[베릴륨]]은 여기서 나온 알파선을 흡수하여 중성자를 방출한다. Po-210은 140일 가량의 [[반감기]]를 지니고 있으므로 Po-210으로 이루어진 중성자 방아쇠는 자주 교체되어야 한다. Po-210은 [[핵반응로]]에서 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 맨]]에서는 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 [[수소화물]](수소 화합물)로 된 목표물을 지닌 작은 이온 가속기이다. 이온원이 [[중수소]]나 [[삼중수소]]의 [[플라스마]]를 만들어내기 시작하면, 높은 [[전압]]이 관에 걸리게 되며, 전압이 걸린 관은 이온을 가속하여 [[스칸듐]]과 같은 삼중수소가 풍부한 금속 목표물에 부딪히게 한다. 이온은 가속되며, 높은 확률로 [[핵융합]]이 발생한다. 중수소-삼중수소의 핵융합은 짧은 펄스를 이루는 14 [[전자볼트|MeV]] 중성자를 방출하는데, 이는 [[핵 연쇄 반응]]을 유도하기에 충분하다. 펄스는 정밀하게 제어가능하며, 내폭형 핵폭탄에 보다 적절한 방법이다.
포신형 핵폭탄이 만약 "target capture"라는 방식(쉽게 말해, 두 아임계 질량이 일단 합쳐진 다음에는 폭발하기 전까지 분해되지 않도록 하는 방식)을 사용한다면, 중성자 방아쇠는 핵무기의 효율성을 높이는 데 있어서 그다지 필수적인 사항이 아니다. 예를 들어 [[리틀 보이]]의 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 [[미국]]에서 완전히 사라졌으며 더 이상 제작되지 않는다. 심지어 [[영국]]과 같은 핵 보유국은 포신형 핵무기를 제작한 적도 없다. 매우 농축된 [[우라늄-235]]가 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 질량]]을 달성 할 수 있는 질량 및 형태의 핵분열성 물질을 지닌 무기를 가지고 있는다는 것은 그 자체만으로도 위험하다. 게다가 핵무기가 [[비행기]]에서 [[바다]]로 떨어진다면, 바닷물이 [[물|경수]]의 역할을 해서 [[중성자 감속제]]로서의 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.
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 목록]]에서 보듯이 피트를 파괴하고 [[플루토늄]]을 흩트려 주변을 오염시킬 수 있다. 하지만 이러한 경우에도, 핵폭발은 일어날 수 없다.
[[남아프리카 공화국]]의 핵 개발 계획은 내폭형 장치를 배제하고 포신형 기법을 채용한 거의 유일한 계획이었으며, 계획을 중단하기까지 5개 가량의 포신형 핵무기를 제작하였다.
가장 강력한 순수 핵분열 폭탄은 [[Ivy King]]이었는데, 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 맨]]은 14%의 효율성을 보였으며, [[리틀 보이]]는 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(이러한 방식은 [[미국 항공우주국]]의 탐사선 등에서 여전히 사용된다). [[영국]]의 경우는 난방 장치를 이용한 방식 이외에도 좀 더 유별난 방식을 고안하기도 했다.
핵융합 무기.
[[핵융합]]을 이용하는 핵무기는 [[핵분열]]만을 이용하는 핵무기에 비해 엄청나게 큰 핵출력을 얻을 수 있다. 이는 핵융합이 매 반응마다 핵분열에 비해 더욱 더 거대한 에너지를 발생시키기 때문이며, 핵융합 자체가 추가 중성자원으로서 사용될 수도 있기 때문이다. 에너지 방출이 높다는 것 이외에도 핵융합 연로로 사용되는 [[화학 원소|원소]]가 가볍다는 점 역시도 장점으로 작용해서, 매우 높은 핵출력을 지니면서도 여전히 운반이 용이한 핵무기 설계를 가능하게 해준다. 핵융합은 주로 [[수소]]의 [[동위원소]]인 두 가벼운 원소의 결합이며, 보다 안정된 무거운 원소를 형성하면서 잉여 에너지를 방출한다. 핵융합 반응은 높은 열에너지를 필요로 하며, 이러한 이유로 핵융합 폭탄은 열핵폭탄으로도 불린다. 핵융합 반응에 필요한 극히 높은 온도와 밀도는 [[핵분열]] 폭발을 통해 쉽게 만들 수 있다. [[순수 핵융합 폭탄]]은 초기에 핵분열을 필요로 하지 않는 가설상의 설계이며, 이러한 종류는 이제까지 제작된 적이 없다.
핵융합 부스팅.
핵융합을 사용하는 가장 쉬운 방법은 [[중수소]]와 [[삼중수소]]의 혼합물을 내폭형 [[플루토늄]] 피트 내부에 넣어두는 것이다. 이 경우에는 중성자 방아쇠가 피트 중심에 있는 것이 아니라, 피트 외부에 있어야 한다. [[핵 연쇄 반응]]이 핵융합 연료를 충분한 압력으로 누른다면, 중수소-삼중수소 핵융합 반응이 일어나며, 많은 수의 고에너지 [[중성자]]가 주변의 핵분열 물질로 방출되게 된다. 이러한 중성자는 핵분열 물질을 보다 빨리 분열시키며, 피트가 분해되기 이전에 보다 많은 양이 소모되도록 해준다. 이렇게 핵융합을 통해 핵분열을 촉진시키는 것을 핵융합 부스팅이라고 하며, 핵융합 부스팅을 이용하면 순수 핵분열 폭탄의 효율성은 두 배로 증가되는데(즉 효과적인 설계라면 약 20%에서 40%로), 반면 장치의 크기나 무게는 얼마 증가시킬 필요가 없다는 점에서 매우 효율적이다. 핵융합을 통해 방출되는 에너지 양은 핵분열로부터 얻는 에너지의 1% 정도밖에 되지 않으며, 핵융합은 대개 추가 중성자를 공급함으로써 핵분열 효율성을 늘리는 효과만 한다.
부스팅은 일반적으로 핵 무장 단계에서 기체 형태의 중수소-삼중수소 혼합물을 바깥 저장고로부터 피트로 주입하는 것으로 이루어진다. 삼중수소는 12.3년의 짧은 [[반감기]]를 가지고 있고, 매우 비싸며, [[우라늄]] 및 [[플루토늄]]과 매우 화학 반응성이 높다. 폭탄 외부의 삼중수소 저장고에 보관하는 것은 폭탄을 분해할 필요 없이, 삼중수소로부터 생겨난 [[헬륨]]-4 찌꺼기를 쉽게 제거할 수 있도록 해준다. 이론적으로, 고체 [[수소화물]]이나 액체형태의 중수소-삼중수소를 사용할 수도 있으나, 기체를 사용하는 것이 세계적이다.
핵융합 부스팅은 두 가지의 이점을 제공한다. 첫 번째는 명백한데, 무기를 훨씬 작고, 가볍게 하고, 또한 같은 핵출력에 대해 핵분열성 물질을 적게 사용하도록 하며, 그러므로 제작하고 운반하는 데 드는 비용이 훨씬 싸게 만들 수 있다는 것이다. 두 번째 이점은 핵융합 부스팅은 핵무기를 "방사선 간섭"에 영향을 받지 않도록 해준다는 것이다. 1950년대 중반, [[플루토늄]] 피트가 주변 핵폭발로부터 발생한 강력한 방사선에 노출될 경우 실제 폭발 이전에도 부분적으로 폭발할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 물론 전자 장비도 피해를 입고 오동작할 수 있지만, 이는 별개의 문제이다. 방사선 간섭은 효과적인 조기 경보 [[레이다]] 시스템이 등장하기 전까지는 특히 커다란 문제였는데, 이는 적이 [[선제 공격]]을 하게 되면, 자국의 핵무기가 모두 쓸모없어질 가능성이 있기 때문이었다. 부스팅 기법은 핵무기에 필요한 플루토늄의 양을 방사선 간섭에 쉽게 영향받을 만한 양 이하로 줄여준다.
때로는 "기체 부스팅"이라고도 하는 핵융합 부스팅은 이른바 [[수소 폭탄]]에서 사용되는 [[핵융합]]을 사용하기는 하지만, 여전히 [[핵분열]] 폭탄으로 간주된다. 사실, 핵융합 부스팅은 열핵무기 내부의 핵분열 폭탄등을 포함하는 대부분의 현대 무기에서 매우 일반적이다.
구조에관한 자세한 정보는 [[증폭형 핵분열탄]]을 참고
다단계 열핵무기.
[[파일:Teller-Ulam device.png|오른쪽|360px|섬네일|텔러-울람 열핵무기 설계 개요]]
일명 "수소 폭탄"인 다단계 열핵무기는 핵융합 연료에 점화하기 위해 핵분열 폭탄을 사용한다. 점점 더 큰 폭발을 얻기 위해 서로 다른 무기를 연쇄적으로 사용한다는 점에서 "다단계"라고 이름 붙여졌다.
현대 열핵폭탄 설계의 기본 원칙은 여러 나라의 과학자들이 독립적으로 개발하였다. [[로스 앨러모스 국립 연구소]]의 [[에드워드 텔러]]와 [[스타니스와프 울람]]은 [[1951년]] 현재 [[미국]]에서 [[텔러-울람 설계]]로 알려진 다단계 폭발의 아이디어를 연구하였다. [[소비에트 연방]]의 [[안드레이 사하로프]] 역시 독립적으로 연구를 수행하여 [[1955년]] 이른바 "3번째 생각"이라고 명명한 같은 답에 도달하였다.
다단계 열핵폭탄에 관한 완전한 내용은 이제까지 완전히 기밀해제 된 적이 없다. 또한 여러 기밀 해제된 서로 다른 내용으로부터도, 수소 폭탄이 정확히 어떻게 동작하는지에 관한 완전한 정답에 도달하지 못했다. 기본 원리는 [[미국 에너지부]]가 기밀 해제 한, 두 개의 정보로부터 밝혀졌다. 하나는 "열핵무기에서 1차 핵융합 폭탄이 2차 폭탄으로 불리는 열핵 연료의 열핵반응을 유도하기 위해 사용된다"는 사실이며, 다른 하나는 "열핵무기에서는 핵분열에서 나오는 방사능이 핵무기 내부에서 유지되면서 서로 구분지어 보관되는 열핵연료를 압축하고 점화하는 데 사용된다"라는 사실이다.
2차 핵융합 단계는 1차 핵분열 단계에서 발생하는 [[X선]]에 의해 압축됨으로써 시작되게 되는데, 이러한 과정은 이른바 방사능 폭발(radiation implosion)이라고 한다. 이 과정에 대해 완전한 정보 공개가 이루어진 적이 없기 때문에, 외부 전문가들은 추측, 공개된 정보, 전직 무기 개발 과학자의 인터뷰, 그리고 독립적인 이론적 계산을 통해서 여러 가지 이론을 세울 수밖에 없었다.
미국 정부가 수소 폭탄의 작동과정에 대한 문서를 검열하려고 했으나, 결국은 정부가 재판을 포기하였으며, 대신 수소 폭탄에 관한 많은 새로운 정보가 기밀해제 된 [[1979년]]의 [[미국 v. The Progressive]] 재판건에서 알려진 한 가지 방식은 다음과 같다.
1차 핵분열 폭탄은 탄두 끝부분에 위치한다. 폭발시, 핵분열 폭탄은 [[X선]]을 [[빛의 속도|광속]]으로 뿜어낸다. 탄두 외피는 무거운 금속으로 만들어지며, 따라서 X선 반사재의 역할을 하므로, X선은 탄두 외피에 반사되게 된다. X선은 반사되면서 2차 폭탄을 감싸는 매질을 자극하는데, 2차 폭탄은 [[천연 우라늄]]이라는 탬퍼이자 pusher로 감싸여진 기둥이나 구 형태의 [[리튬 중수소화물]] 핵융합 연료이다. X선은 탄두 내부를 채우고 있는 [[펜탄]]이 포함된 발포 [[폴리스티렌]]을 가열하여 [[플라스마]] 상태로 만들며, 또한 2차 폭탄을 감싸는 외피를 강력한 힘으로 안쪽을 향해 폭발시킨다. 2차 폭탄 내부에는, 농축 [[우라늄]]이나 [[플루토늄]]으로 이루어진 "점화전"이 존재하는데, 2차 폭탄 외피의 강력한 내파로 인해 스스로의 핵분열을 시작하게 된다. 이와 동시에 2차 폭탄 내부의 핵융합 연료가 압축되고, 또한 새로이 시작한 핵분열로 인한 높은 온도로 말미암아, [[중수소]]는 [[헬륨]]으로 융합되기 시작하고, 막대한 [[중성자]]를 방출하게 된다. 중성자는 [[리튬]]을 [[삼중수소]]로 변화시키며, 이후 핵융합을 일으키고, 많은 양의 [[감마선]] 및 더욱 많은 중성자를 발생시킨다. 잉여 중성자는 탬퍼, pusher, 외피 및 X선 반사재로 사용되는 천연 우라늄마저 핵분열을 일으키게 하며, 더욱 높은 핵출력을 제공하게 된다. 이러한 마지막 핵분열 효과는 폭탄의 핵출력을 엄청나게 증가시킬 뿐만 아니라, 핵분열로 인한 낙진의 양 역시 극도로 증가시킨다. [[납]]이나 [[텅스텐]] 같은 핵분열 불가능한 물질이 우라늄이나 [[토륨]]과 같은 핵분열성 물질 대신 탬퍼/pusher/외피 등에 사용될 수 있는데, 이 경우는 핵출력 및 낙진의 양이 줄어들게 된다.
일부 사람들은 위에 기술된 방사능 폭발이라는 "발포" 원리에 의문을 품고, 또한 2차 폭탄을 압축하는 실질적인 원리는 [[X선]]의 "방사능 압력"도, 혹은 플라스마 상태의 발포 폴리스티렌의 물리적인 압력도 아니라고 지적했다. 대신, X선 방사선이 탬퍼 및 pusher를 "태워 날려버리는" 효과에 의해 2차 폭탄이 폭발하는 것이라고 설명했다. 설명에 따르면, X선은 탬퍼와 pusher를 둘러싸고 가열하여, 이윽고 2차 폭탄의 외피층을 사방으로 증발/폭발시켜버리게 되며, 이러한 폭발이 내부로의 압력을 형성하게 된다는 것이다. 즉 다른 말로, X선에 의해 가열된 2차 폭탄 외부의 탬퍼/pusher층은 로켓인 양 바깥으로 폭발하게 되며, 반면 남아있는 층은 반작용으로 안쪽으로 폭발하게 된다는 것이다.
[[파일:Teller-Ulam device firing sequence-ko.png|가운데|프레임|발포 폴리스티렌을 사용하는 텔러-울람 설계 열핵무기의 점화 순서]]
고급 열핵 무기 설계.
현대의 가장 큰 핵분열-핵융합-핵분열 방식의 무기는 U-238이라는 가장 안정한 [[우라늄]]의 [[동위원소]]로 이루어진 최외곽층을 지니거나 혹은 U-238로 이루어진 X선 반사재를 지니고 있다. 다른 방식으로 해서는 폭발하지 않을 불활성의 U-238은, 핵융합 단계의 엄청난 밀도의 고속 [[중성자]]가 핵분열을 일으키게 되며, 폭탄의 핵출력을 수 배 증가시킨다. 예로, [[미국]]의 역사상 가장 거대했던 [[Castle Bravo]] 실험에서는, 15 메가톤의 핵출력이 있었는데, 그 중의 10 메가톤이 천연 우라늄으로 이루어진 탬퍼가 핵분열 하면서 생긴 것이다. 하지만 보다 높은 핵출력을 위해서는 적절한 수준의 [[농축 우라늄]]이 대신 사용될 수도 있다.
현대의 [[MIRV]] [[미사일]] 등에서 각각의 작은 재돌입 탄두에 어울릴 정도로 핵무기를 소형화 하기 위해서는, 이전에 사용되던 기둥 형태의 2차 폭탄 대신에, 구 형태의 2차 폭탄을 사용하는 것으로 추측되고 있다.
3개의 핵무기로 구성된 열핵폭탄 역시 개발되었는데, 여기에서 3번째의 폭탄은 더욱 거대한 핵융합 폭탄이며, 이는 2차 핵융합 폭탄의 에너지에 의해 압축되게 된다. 이러한 3단계 핵무기로 [[미국]]에는 [[Mk 41]]이, [[소비에트 연방]]에는 [[차르 봄바]]가 각각 존재한다. 비록 기가톤에 필적하는 핵출력을 낼 수 있는 5 내지 6 단계의 핵무기가 실제로 필요한지는 모르겠지만, 이론상 핵폭탄의 단계에 관해서는 제한이 없다.
[[코발트 폭탄]]은 외피에 [[코발트]]를 사용하는데, 핵융합시의 [[중성자]]가 코발트를 코발트-60으로 변화시킨다. 코발트-60은 5년이라는 긴 세월 동안 [[감마선]]을 방출하며, 심각한 [[방사능 오염]]을 유발한다. 일반적으로 이러한 방식의 무기는 "[[salted bomb]]"이라고 불리며, 다른 종류의 동위 원소를 사용함으로써 여러 [[낙진]] 효과를 기대할 수 있다. [[금]]은 며칠 단위의 단기간 낙진을 형성하며, [[탄탈럼]](tantalum)과 [[아연]]은 몇 개월 단위의 중간 정도의 낙진을 유발한다. 첨가물로 효율적이기 위해서는, 첨가물은 원래의 동위원소가 자연계에 풍부해야하며, 중성자 추가로 형성된 방사선 동위원소가 감마선을 강하게 생성하여야 한다.
이러한 무기의 근본 목적은 일부 지역에 극도로 강한 방사능 낙진을 형성해 진군을 막는 이른바 바람을 타고 퍼지는 지뢰밭의 영역을 수행하는 것이다. [[코발트]]가 포함된 핵무기는 [[대기]] 중에서 실제로 실험된 적이 없으며, 또한 공개적으로는 아무도 제작한 적도 없다. 하지만, [[Castle Bravo]] 실험에서와 같이 수많은 매우 "더러운" 열핵무기가 개발되고 폭발되었는데, 이는 천연 우라늄이나 농축 우라늄 등을 이용하는 마지막 핵분열 단계가 그 스스로도 강력한 낙진을 생성하기 때문이다. [[영국]]은 코발트를 실험시의 방사능 추적자(追跡子)로 사용한 폭탄을 실험한 적이 있다. 이 실험은 [[1957년]] [[9월 14일]] [[오스트레일리아]]의 Maralinga range, Tadje site에서 이루어졌으며, 1 킬로톤의 핵출력을 지닌 폭탄이었다. 하지만 이 실험은 실패로 판정났으며, 반복되지 않았다.
[[코발트]]는 포함 가능한 오염 물질 중에서 가장 긴 [[반감기]]를 지니며, 이러한 이유로 [[Leó Szilárd]]는 이러한 무기가 잠재적인 "종말의 도구" 라고 언급하였다. 5년이라는 반감기동안, 사람들은 지하 방공호에서 안전할 때까지 오랜 세월을 숨어있어야 하며, 효과적인 인류 말살 수단이라는 것이다. 하지만, 어떠한 국가도 이런 전략을 가지고 있지는 않은 것으로 알려져 있다. 영화 "[[Dr. Strangelove]]"는 이러한 인류 최후의 무기를 중요한 구상 요소로 채용하였다.
열핵무기의 마지막 변종은 강화 방사능 무기(enhanced radiation weapon) 혹은 [[중성자 폭탄]]이며, 이러한 중성자 폭탄은 작은 열핵무기로 핵융합 반응으로 만들어진 엄청난 양의 중성자가 핵무기 내부에서 흡수되는 것이 아니라 방출되는 형태의 폭탄이다. 무기 내부의 X선 거울 및 무기 외피가 [[크로뮴]]이나 [[니켈]]로 이루어져 있어서 [[중성자]]가 무기 밖으로 빠져나올 수 있다.
고에너지 중성자의 강력한 폭풍은 중성자 폭탄에 있어 중요한 파괴 방식이다. 중성자는 다른 형태의 방사능보다 훨씬 관통력이 강하며, [[감마선]]을 효율적으로 막는 방호물질이라고 하더라도 중성자는 효율적으로 막아낼 수 없다. "강화 방사능"이라는 용어는 폭발 순간에 발생하는 강력한 전리 방사능을 지칭하는 발이며, 이후에 발생하는 [[낙진]]이 보다 강해졌다는 의미는 아니다. 그러한 의미에서 낙진을 보다 강하게 하는 salted bomb과는 차이를 보인다.
소형화.