핵 성형작약

60년대에 개발된 핵 장치들은 한 번쯤 볼 만한 것들이 많음. 카사바 대포는 그 시대에 개발된 핵 성형작약 장치로 원자폭탄의 에너지를 좁은 원뿔에 집중할 수 있음.

여기서는 카사바 대포의 가능성과 한계에 대해 알아보겠음.

기원

카사바 대포가 등장하기 전에 다들 잘 알고있는 오리온 계획이라는 우주선이 있었음.

오리온 계획은 핵폭탄의 충격을 이용해서 전진하는데,  이 아이디어는 이미 19세기에도 나온 적이 있음.
https://en.wikipedia.org/wiki/Nikolai_Kibalchich
https://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_Ganswindt

오리온 우주선은 화학 폭발 대신 훨씬 더 강력한 핵이라는 수단을 사용한 것 뿐임.

오리온 우주선이 처음 설계될 때는 두꺼운 철판으로 핵폭발의 충격을 받게 설계되었음. 이 철판이 핵폭발의 열과 방사선을 견디고 운동량을 우주선으로 전달하는 역할을 했음.
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/supplement/GA-5009vIII.pdf

오리온 우주선이 핵폭발 에너지의 일부만 이용한다고 해도 화학 로켓보다 훨씬 효율적임. 이론적 예측과 실험으로 밝혀진 바로는 이 철판이 67000도의 열과 340MPa의 압력을 견딜 수 있다고 했음.  그리고 오리온 우주선에 달린 완충기는 0.86초마다 1번 폭탄을 터뜨릴 수 있다고 함.
http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist.php#id--Pulse--Orion

다른 폭발들처럼 원자폭탄의 폭발은 구형으로 일어남.

최초로 제안된 오리온 우주선(미국 공군 10m)은 25m 뒤에서 핵폭발이 일어남. 오리온 우주선 뒤에 달린 철판의 반지름이 5m이므로 이루는 각도는 11.25도임.

따라서 오리온 우주선은 핵폭탄 에너지의 10%만 사용할 수 있음.

대부분의 값비싼 핵물질이 쓸데없는 데 사용되므로 낭비가 심함. 그리고 충분한 추력을 얻기 위해서는 충분한 크기의 폭탄이 필요함. 충분한 크기의 핵폭탄은 많은 방사선과 EMP를 배출하고 방사선과 EMP는 전자 기기들을 고장냄.

핵 성형작약
그래서 고안된 방법은 핵 에너지를 충분히 작은 구역에 집중하는 거임.

더 많은 에너지를 사용할 수 있으므로 핵폭탄은 더 작아질 수 있고, 더 무해해짐.

핵 성형작약 폭탄은 다음과 같은 원리로 작동함:
1. 핵폭탄이 터지면서 80%의 에너지가 X 선으로 방출되고, 모든 방향으로 퍼짐. 대부분은 열화 우라늄(우라늄-238)에 막히고 위에 난 구멍으로만 방출됨.
http://nuclearweaponarchive.org/Library/Teller.html

2. channel filler(산화 베릴륨,)이 x선을 흡수하고 열로 방출함.

3. 텅스텐이 열을 흡수하고 증발함. 고속의 플라즈마가 되서 오리온 우주선의 추진부로 이동함. 텅스텐이 판처럼 생긴 이유는 플라즈마가 평평하게 퍼기제 학 위해서임.
http://www.wlym.com/archive/fusion/book/1981ThermoBombBook.pdf

이렇게 텅스텐 플라즈마는 오리온 우주선의 추진체로 작동해서 120km/s의 배기 속력을 낼 수 있음.

오리온 우주선의 DeltaV 계산 공식: 텅스텐 플라즈마가 오리온 우주선의 플레이트에 닿는 비율(0~1) * 플라즈마 속도 * ln(질량비)

원래 제안에서 텅스텐 플라즈마가 오리온 우주선의 플레이트에 닿는 비율은 85% 정도이고, 더 넓은 플레이트를 사용하거나, 더 가까운 위치에서 폭발시키거나 더 얇고 넓은 텅스텐 플레이트를 사용한다면 늘어날 수 있음.

다른 제안들

다른 핵 펄스 추진 방식들은 다른 방법을 사용함.

Medusa nuclear pulse propulsion 같은 경우 플레이트를 거꾸로 해서 낙하산 모양의 추진 장치를 만듦.

가장 발전된 형태는 Mag-Orion이라는 건데, 플레이트 대신 자기장을 이용하고, 점화도 폭약이 아닌 자기장을 이용해서 함 (Z-Pinch).

다양한 변형들
위에 소개한 디자인에서도 다른 변형을 주면 더 좋은 특성을 만들 수 있음.
텅스텐 추진체의 모양을 더 얇고 넓게 바꾼다면, 에너지를 더 집중할 수 있고, 텅스텐 대신 더 가벼운 물질인 물을 사용한다면, 더 높은 배기 속력을 얻을 수 있음(하지만, 산화 베릴륨에서 나오는 열을 흡수하기 위해서는 얼음의 두깨가 더 두꺼워져야 하고, 필연적으로 물이 확산되는 범위가 더 넓어짐.).

무게를 더 줄이는 방법은 산화 베릴륨 자체를 추진체로 이용하는 거임.

Mag-orion 추진 방식에서는 텅스텐보다 더 자기장에 많은 영향을 받는 추진체가 적합할 것임.

텅스텐을 사용할 수 없는 환경이라면, 철을 대신 사용할 수 있음. 3배 높은 배기속력을 얻겠지만, 더 낮은 추력과 철의 반응성으로 인한 플레이트 손상을 고려해야 할 것임.

Mini-mag Orion은 핵물질을 다른 보조장치(폭축 렌즈) 없이 터뜨리는 데 있음. 핵물질을 Z-Pinch 장치로 압축해서 터뜨리는데, 더 가볍고, 더 안전하고(자체 점화 장치가 없으므로), 더 효율성 높은(자기력으로 대부분의 플라즈마를 잡아서 추진체로 사용함) 우주선을 만들 수 있음.
https://en.wikipedia.org/wiki/Mini-Mag_Orion

외부에서 점화되는 핵반응이란 점에서 핵융합 반응을 생각할 수 있음. 핵융합은 핵분열보다
많은 장점이 있음. 핵융합 부산물은 핵분열 부산물보다 훨씬 속도가 빠르고 에너지 밀도도
높음.(배기 속력은 온도의 제곱근에 비례함)

https://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_confinement_fusion(관성 가둠 핵융합 펠렛, 금으로 된 펠렛에 레이저가 부딫히면서 X선으로 캡슐을 가열함.)

핵융합 펄스 추진 방식은 핵분열 방식보다  더 작은 폭탄을 사용할 수 있음. 더 작은 폭탄을 사용하기 때문에 엔진의 구조물에 전달되는 힘이 작아져서 더 가벼운 추진부를 사용해도 됨. 우주선에 언제 터질지 모르는 장전된 원자폭탄 수백발과 핵물질을 넣지 않아도 된다는 장점도 있지만, 우주선에 무거운 핵연료 점화 장치를  넣어야 하고, 중성자가 나오지 않는 핵융합 방식이 아니라면(https://en.wikipedia.org/wiki/Aneutronic_fusion) 중성자 방호 설비를 고려해야 함.

외부 점화 장치가 없는 핵융합 반응은 텔러-울람 설계 핵폭탄을 통해서도 가능함. 핵분열로 핵융합을 점화하기 때문에 크기는 다른 방식보다 커지고, 원자폭탄의 위험성을 공유해서 쓰일 일은 거의 없을거임.


가장 좋은 펄스 점화 방식은 반물질임. 약간의 반물질로 핵분열/융합을 점화할 수 있음. 반물질이 많다면 물질-반물질 쌍소멸만으로 엔진을 작동하면 됨. 이 경우 문제는 반물질의 저장 방법과 감마선을 적외선으로 바꾸는 효율적인 방법을 찾는 것 외에는 없음.

카사바 대포
카사바 대포는 핵폭발을 한 점으로 집중하는 연구의 결과임. 폭발력을 충분히 집중시켜서 파괴적인 빔을 만들어냄.

위에서 만들어봤던 텅스텐 카사바 대포는 22.5도 안으로 에너지가 집중되고 입자들의 속도도 100km/s 온도도 67000도 정도로 파괴적이지 않음.

위에서도 설명했지만, 더 가벼운 재료(플라스틱, 얼음, 수소)는 속도가 더 빠르지만, 넓게 퍼짐.  그러므로, 폭탄을 설계할 때 넓게 만드는 대신 좁고 길게 만들면 좁은 각도로 집중된 빠른 플라즈마를 만들 수 있음.

http://scienceandglobalsecurity.org/archive/1990/01/the_effects_of_nuclear_test-ba.html
이 연구에서는 폴리스티렌을 추진체로 쓰면 5.7도의 각도 안에 1000 km/s의 플라즈마를 집중할 수 있다고 함.

입자의 속도는 제곱 평균 제곱근으로 구할 수 있으므로 식을 써보면:
입자의 속도 : (24939 * 온도(K) / 몰질량(g/mol)) ^0.5

24939는 볼츠만 상수(1.38*10^-23) 을 1 Dalton(1g / mol, 1.66*10^-27)로 나눈 값에 자유도(https://en.wikipedia.org/wiki/Degrees_of_freedom_(physics_and_chemistry) , 3)를 곱한 값임.

원자 폭탄의 경우 (10^8K) 우라늄(238 g/mol)은 102 km/s로 배출됨.
수소 폭탄의 경우(10^9K) 중수소(2 g/mol)은 3530 km/s로 배출됨.

어려운 점은 열 에너지를 추진체에 전달하고, 입자들이 원뿔을 유지하면서 이동하게 하는 거임.
핵 성형작약탄이 추진체를 얼마나 가열할 수 있는지는 알려져 있지 않음. 대부분의 출처에서는 85% 에너지가 원하는 방향으로 집중된다고 함. 추진체가 언제 잘못된 방향으로 이동하는지도, 어떤 추진체 / 폭탄 질량비가 좋은지도 알 수 없음.

따라서 지금 시점에서는 가장 낮은 추측으로 계산하는 게 더 합리적이라 할 수 있음. https://scienceandglobalsecurity.org/archive/sgs01fenstermacher.pdf
이 논문에서는 5% 정도로 예상하고 있고, 수소 핵융합 장치를 쓰면 10배 더 좋은 입자 집중률을 얻을 수 있다고 함.

또, 효율성을 희생하는 대신 카사바 대포에서 나오는 입자의 분산율을 0.006도까지 줄이는 것도 가능하다고 함.

효과
열핵 폭탄의 이론적인 최대 효율성은 25TJ/kg 라고 함. 요즘의 핵탄두들은 무게가 대략 100kg 정도임. 수소 폭탄에서 쓰이는 핵물질의 양은 1 킬로그램 수준임.

핵폭발이 1마이크로초 동안 일어난다고 하고 세기를 측정해보겠음

세기(W/m^2) = (Yield * Efficiency * 10^6) / (3.14 * (tan() * 거리) ^2)

yield = 핵폭탄 에너지
efficiency = 성형작약 효율

계산해보면:
소형 핵 성형작약탄 (50kg)
0.01 라디안
5kt yield, 10% efficiency: 2.09TJ
거리 1 km: 세기 = 673 GJ/m^2
거리 10 km: 세기 = 6.7 GJ/m^2
거리 100 km: 세기 = 67.2 MJ/m^2
거리 1000 km: 세기 = 672 kJ/m^2

대형 핵 성형작약탄 (1000kg)
0.001 라디안
1Mt yield, 5% efficiency: 209TJ
거리 1 km: 세기 = 6728 TJ/m^2
거리 10 km: 세기 = 67.3 GJ/m^2
거리 100 km: 세기 = 672 MJ/m^2
거리 1000 km: 세기 = 6.7 MJ/m^2

근미래 대형 핵 성형작약탄
0.0001 라디안
1Mt yield, 20% efficiency: 836TJ
거리 1000 km: 세기 = 2691 GJ/m^2

위에 나온 면적 당 에너지를 보면 소형 카사바 대포는  1km에서 734mm의 알루미늄을 관통할 수 있음.

사용 분야
종말 탄두: 빠른 도달 속력을 이용하여 회피 기동을 막을 수 있음.
EFP: 텅스텐이 핵폭발로 녹지 않을 정도라면, 빠른 속력으로 금속 덩어리를 발사할 수 있음.

입자빔 무기:
카사바 대포에서는 여러 가지 입자들이 이온화된 채 나오는데, 이걸 자기 렌즈로 집중해서 입자빔을 만들 수 있음. 마지막에 중성화만 시켜주면 곧은 궤적을 그리는 입자빔을 만들 수 있음.

이걸 만든다고 할 때 문제가 될 수 있는 점은 다양한 입자를 밀어넣기 때문에 mass spectrometer처럼 입자들이 스펙트럼을 그리면서 이동할 수 있다는 거임.

최적의 입자빔-카사바 대포는 수소폭탄을 사용해서 입자를 10000km/s 까지 가속하는 거임. 입자가속기가 가속하는 것보다는 느리지만, 외부 전력을 거의 요구하지 않고, 일반적인 입자 가속기보다 훨씬 가볍게 만들 수 있어서 유효 사거리를 수천 km까지 올릴 수 있다는 거임.

번역출처: https://toughsf.blogspot.com/2016/06/the-nuclear-spear-casaba-howitzer.html?m=1