핵의 위력과 효과, 그리고 예상되는 피해 전망
핵의 위력과 효과
핵무기란 핵반응(핵분열 또는 핵융합)시에 방출되는 에너지를 인원과 물자의 살상 및 파괴에 이용한 무기를 뜻한다. 일반적으로 핵무기라고 하면 핵탄두(nuclear warhead)만을 뜻하고 운반체계는 통상적으로 포함하지 않는다. 핵무기는 반응형식에 따라 핵분열무기(nuclear fission weapon, 일명 원자폭탄)와 핵융합무기(nuclear fusion weapon, 일명 수소폭탄)로 구분하며, 사용목적에 따라 전술핵무기, 전략핵무기, 전구핵무기로 구분하며, 핵폭발 고도(Height of Burst)에 따라 지상(고공, 저공)․지면․지면 하 폭발로 구분한다.
전술핵무기는 전장내의 전투에 사용하기 위한 저 위력(통상 kt급)의 500마일 이하의 단거리 핵무기이며, 전략핵무기는 전략 핵전력이라고도 하며 ICBM, SLBM, LRM의 3지주를 망라하고, 고 위력(통상 MT급)의 장거리 핵무기가 포함되며, 전구핵무기는 MRBM, IRBM의 중거리 탄도탄과 MRB의 중거리 폭격기가 포함된다.
핵무기가 폭발하면 최초효과와 잔류효과가 나타난다. 최초효과란 핵폭발 1분 이내에 발생되는 효과로서 폭풍(Effect of blast wave), 열복사선(Thermal effect), 방사선(Nuclear radiation effect) 효과와 전자 펄스(EMP: Electromagnetic Pulse)로 구분된다. 최초효과는 20kt(킬로톤)를 가정했을 경우 폭풍 효과가 50%이며, 열복사선 35%, 낙진을 포함한 방사선이 14%, EMP 1% 이다. 잔류효과는 낙진과 감응방사선이며 방사선 피해는 거리, 시간, 차폐에 영향을 받는다.
고공 폭발은 고도 30km 이상에서 실시하는 것으로서 EMP 효과에 의해 통신에 심각한 교란이 일어나며, 전자설비의 성능을 심각하게 저하시키거나 파괴하고, 의료장비의 정상작동을 방해할 수 있다. 폭발 고도를 조절할 수 있는 저공 폭발은 군을 목표로 사용될 수 있다. 지면 폭발은 낙진효과로 인해 인명피해가 최대로 발생한다. 지하시설 공격에 유용한 지면 하 폭발은 폭발 지점이 지면이나 수면 아래인 경우를 말하며 폭풍이 지면을 뚫고 나오지 못한다면 폭발로 인한 위험은 다소 감소된다. 그러나 국지적인 낙진 효과는 지면 폭발보다 클 수도 있다.
핵폭탄의 위력(yield)은 TNT 폭탄으로 같은 양의 폭발을 일으킬 수 있는 무게로 표시된다. 히로시마에는 약 15kt, 나가사키는 약 20kt의 원자폭탄이 투하되었다. 그 결과 폭심지(Ground Zero)로부터 1km 이내의 사람은 87%가 사망을 하였고, 2.5km 이내의 목조건물은 전소함으로써 히로시마에서는 16만여 명 나가사키에서는 7만여 명 정도가 사망한 것으로 알려지고 있다. 히로시마와 나가사키는 목조주택으로 인한 화재발생과 의료 및 행정체계가 마비됨에 따라 신속한 응급 및 구호 미비로 2차 피해가 컸다. 화상으로 인한 사망이 가장 컸으며 폭심지로부터 800미터 이내의 95% 인원이 사망했는데 직접적인 화상으로 인한 사망이 25%, 방사능 피폭으로 인한 사망이 20%, 부상 등 2차 피해로 인한 사망이 50%를 차지하였다. 건물은 폭풍으로 인해 9만 채 중 현대식 건물 다섯 동만 재사용 가능할 정도였다. <표 2>에서처럼 20kt급 폭발 시 반경 4.7km에 있는 건물은 약간 파괴되는 정도(유리창 파손 등)의 폭풍 피해를 입는 데에 비해 2.5km 범위 내에 있는 사람은 열복사 효과로 인해 3도 화상을 입을 수 있다. 핵폭발의 최초효과에 의한 희생자를 추산 방법은 폭심(ground zero)을 기준으로 5psi 폭발 압력선 내에 있는 모든 사람이 사망한다고 보는 것이다.
한국원자력통제기술원,『핵폭발 효과』KINAC/TR-044기술보고서(2010).p5
핵무기의 에너지원은 핵반응이다. 핵반응이 완료되는 즉시, 생성된 에너지는 열복사 또는 광양자, 이온화된 전자 및 원자의 운동에너지, 여기된 원자 등과 같은 형태로 핵연료에 집중된다. 폭탄에서 첫 번째로 방출되는 에너지는 핵반응에 의하여 산출된 감마선이다. 감마선은 MeV(메가전자볼트 : 원자핵이나 소립자의 에너지를 나타내는 에너지 단위, 메브) 영역의 고에너지를 가지고 있다. 엑스선의 에너지는 주변 공기와 기체 상태의 폭탄 잔해물들에 흡수되어, 초고온의 팽창하는 거품이 만들어진다. 이때 버섯 형태의 방사성 구름(mushroom cloud)이 형성되며, 이를“화구(fireball)” 라고 부른다.
화구(fireball)는 팽창하면서“ 유체역학적 분리(hydrodynamic separation)” 현상이 발생하는데 20kt급 폭발의 경우, 폭발 후 약 100㎲가 경과하여 화구의 직경이 약 13m일 때 일어난다. 즉, 핵폭발 후 0.011초 뒤에 충격파가 발생하며, 충격파는 이탈 직전 주위의 공기에 충격가열을 주면서 8,000℃이상의 고온이 된다. 이때가 가장 빛나며, 이후 태양 광선과 유사한 스펙트럼을 가진 엄청난 양의 전자기파, 즉 자외선․가시광선․적외선의 파장영역을 갖는 전자파, 열복사를 방출한다. 이중 강렬한 가시광선 성분은 눈을 멀게하고 적외선 성분은 화상과 발화 효과를 일으킨다. 상승운동과 냉각작용이 결합한 화구는 버섯모양의 구름을 형성하며 구름에 섞인 다량의 먼지와 파편들이 방사성 낙진이 되어 지상으로 낙하하게 된다.
열복사선은 광범위한 지역에 화재를 일으킨다. 열복사선 에너지의 비율은 폭발지점으로부터 지상까지의 거리 및 대기의 상태에 따라 달라진다. 이는 인체에 화상과 안구 손상을 일으키고 목재․섬유제품․종이 등의 가연성 유기물을 태워탄화시키며 방화시키기도 한다. 공중과 지표면에서 폭발이 일어날 때 입는 물적 피해는 대부분 폭풍에 의한 것이다. 화구의 표면으로부터 이탈한 충격파는 급속히 바깥쪽으로 넓어지면서 고도로 압축된 공기의 벽과 같이 작용한다. 폭풍파가 지표면에 부딪치는 순간 반사파가 발생하여 직접파와 반사파가 종합해 마하 효과가 발생하며, 일반적으로 직접파의 2배에 해당하는 과압을 나타내는 마하 축을 형성한다. 마하 축의 통과와 더불어 지상의 건물은 지면과 평행한 폭풍의 충격을 받게된다. 그 후 화구는 급속한 상승에 다라 강한 상승기류가 생기기 때문에 폭풍과 역방향으로 부는 지상풍이 일어남. 지상풍의 속도는 폭심지점이 100m/s 정도 되기 때문에 대단히 큰 피해를 가져오고, 수중폭발의 경우는 바다의 깊이에 따라 효과가 달라지며 일반적으로 물속에서의 폭압 전파는 양호하여 잠수함 등에 대한 파괴효과가 높다.
핵폭발은 방사선을 수반하는 것이 커다란 특징이다. 통상 핵폭발 에너지의 약 15%가 방사선 형태로 방출된다. 이중 5%가 폭발 후 1분 이내에 발생하는 초기방사선이고 나머지 10%는 잔류방사선이다. 낙진은 폭발 후 1일 이내에 강하하는 초기 방사능 낙진과 그 이후에 강하하는 후기 방사능 낙진으로 나누어진다. 낙진이 소화기, 호흡기, 피부의 상처 등을 통해 체내에 들어가 체내의 기관에 침착하여 방사하는 내폭의 영향에 유의해야 한다.
핵폭발의 효과는 위력과 폭발 고도(HOB)에 영향을 받는다. 위력과 고도에 영향을 받는 핵폭발 효과의 85%를 차지하는 것은 폭풍과 열복사선이다. 이들은 건물 등 엄폐물에 의해 피해를 최소화할 수 있다. 최초효과는 1초 만에 발생하며 엄청난 피해를 몰고 오지만 엄폐물에 의해 대부분 피해를 최소화할 수 있으며, 잔류효과인 낙진은 풍향을 따라 확산되나 대략 2주 정도면 약화되고, 대피소나 몸을 보호할 수 있는 도구를 활용하여 직접적인 피해를 방지한다면 낙진 피해는 대부분 예방할 수 있다. 즉, 핵폭발이 일어나더라도 지하시설 등 엄폐 및 차폐물을 이용하여 대피한다면 피해를 줄일 수 있다. 그러나 도시에 산재한 주유소 및 도시가스 배관에 의한 화재, 엄청난 폭풍으로 인한 파손된 유리창의 비산과 낙진에 의한 2차 피해를 예방하기 위해서 사전 대피는 중요하다. 잔류효과인 낙진과 감응방사선은 직접적인 피해를 방지한다면 대부분 예방할 수 있다. 히로시마와 나가사키는 핵이 공중폭발을 함으로써 낙진의 효과는 상대적으로 낮았다. 1945년 미일 합동조사단 보고에 의하면 방사선량은 폭심지로부터 2km를 벗어나면 수센티 그레이로 약화되며 2.5km에서는‘0’에 가까웠다.
북핵 공격 시 예상되는 피해, 그리고 피해 감소방안
미 방위위협감소국(DTRA)의 서울에 대한 핵 폭격 시뮬레이션 결과에 의하면 사전 경고 없이 100kt 핵폭탄이 투하될 경우 38만 명이 사망하고 23만 명이 중상을 입으며, 방사능 낙진에 의해 338만 명이 사망하고, 237만 명이 중상을 입을 것이라고 하였다(2004). 미 NRDC(Natural Resources Defense Council)의 맥킨지(Matthew G. McKinzie)와 코크란(Thomas Cochran)박사에 의하면, 15-20kt의 폭탄이 서울 용산 200-300m 상공에서 폭발할 경우 반경 1.8km 이내 지역은 초토화되고, 4.5km 이내의 지역은 반파 이상의 피해를 입으며, 62만 명이 사망하고, 100m 상공에서 폭발하면 84만 명의 사망하며, 지면 폭발이면 125만 명이 사망할 것이라고 하였다(2004). 한국국방연구원(KIDA)의 연구에서는 서울에서 20kt급 핵무기가 지면 폭발할 경우 초기 및 잔류효과를 포함하여 총 92만 명이 사망하고, 136만 명이 부상하며 반경 4km 이내의 건물은 붕괴되고 대량화재가 발생할 것으로 판단하였다. 또한 EMP의 피해도 한반도 전역에 영향을 줄 것으로 판단하였다(2010).
이 같은 연구 결과를 종합해 보면 핵폭발 시 가장 즉각적, 치명적 피해는 폭풍이다. 20kt가 폭발할 경우 1.7km 이내의 대부분 건물은 파괴되고, 2km 이내 지상의 노출된 인원은 대부분 사망할 것이다. 그러나 사전의 경고와 대피 등 노력에 의해 폭풍과 열복사선, 그리고 방사선 및 낙진의 피해를 현저히 줄일 수가 있을 것이다. 일본의 경우 폭심지로부터 2km 내에서도 생존한 대부분의 사람들은 운 좋게 핵폭발 당시 순간적으로 바위 뒤에 끼여 있었거나 무너진 건물 잔해에 끼었던 경우이다. 이는 사전 대피하면 피해를 최소화할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 낙진은 천천히 광범하게 떨어지기 때문에 낙진의 피해는 일정한 기간만 대피하면 피해를 크게 줄일 수 있다. 따라서 지하 대피소에 숙식이 가능한 물품 및 공간과 보호복이 준비된다면 피해를 줄일 것이다. 즉, 조기 경보 및 전파, 지하대피시설 대피, 체계적인 대응 등 방호체계가 구축된다면 예상되는 피해를 크게 줄일 수 있을 것이다.
글 : 한국국방연구원 김학민 대령
국방홍보원 페이스북 바로가기
국방뉴스 페이스북 바로가기
국방홍보원 카카오스토리 바로가기
국방홍보원 유튜브 바로가기