(프린스턴 대학교 고등연구소에서 오펜하이머와 함께)

존 폰 노이만.

오스트리아-헝가리 제국의 부유한 유대인 집안 출신으로 아버지 대에서 귀족 작위를 받게 되면서 "폰(von)"이 이름에 들어가게 됩니다. 

부유한 집에서 교육에 관심이 많았던 아버지의 지원으로 그는 10살 이전에 수학에서는 미적분을 배웠고, 헝가리어 외에 영어, 프랑스어, 독일어, 이탈리아어, 라틴어를 배웁니다.

22살에 박사 학위, 25살에 독일의 교수 자격시험 통과 및 베를린 대학교 최연소 강사, 27살에 미국으로 옮겨와서 프린스턴 대학교객원 강사, 31살에 프린스턴 고등연구소에 교수로 임용됩니다. 

이후 미국에서 활동한 그가 인류사에 크게 영향을 끼친 세가지는 "게임이론", "폰 노이만 구조"와 "핵폭탄"입니다. 

폰 노이만 구조 

현재까지 인류가 사용하고 있는 기본적인 컴퓨터, 스마트폰의 구조가 "폰 노이만 구조" 입니다. 

중앙 처리 장치(CPU)를 중심으로 임의 접근 메모리(Random Access Memory)를 이용해 프로그램을 바꿔 가며 계산을 하는 편리한 방식으로 거의 모든 컴퓨터들이 사용 중입니다. 

(코스피 시총 1,2위 삼성전자와 SK하이닉스의 주력 제품인 DRAM이 바로 Dynamic RAM입니다.)

맨해튼 프로젝트

폰 노이만은 맨해튼 프로젝트에 참여해 핵분열을 수치화 해서 계산하고, 핵무기의 주요 기폭장치인 폭축렌즈*를 발명하고, 폭격 시 지상에 닿기 전에 공중에서 터트리는 것이 더 큰 폭발이 발생한다는 것을 계산해 냅니다. 

그가 개발한 폭축렌즈는 팻 맨에 사용되어 나가사키에 투하됩니다. 

우라늄 핵분열과 수소 핵융합

핵분열 반응성이 좋은 우라늄-235를 중성자로 때리면 바륨, 크립톤으로 분열하면서 에너지와 중성자 3개가 튀어나오는데 원자폭탄은 이 반응을 연쇄적으로 일으켜서 에너지를 키우는 방식입니다. 

중수소와 삼중수소가 합쳐지면 헬륨이 생기고 중성자가 하나 튀어나고 이때 그 질량의 결손이 에너지로 나오게 되는데 수소폭탄은 이때의 에너지를 이용하는 겁니다. 

보통 철보다 가벼운 원소는 융합 시 에너지가 발생하고, 무거운 원소는 분열 시 에너지가 발생합니다.

그러다보니 핵융합으로 에너지를 발산하는 별(항성)의 마지막 핵융합도 철입니다. 

초신성 폭발이 없다면 철이 가장 무거운 원소이며 초신성 폭발 시 철보다 무거운 원소를 만들어 우주로 뿌립니다. 

수소폭탄 개발 배경

2차 대전 전에 인류는 태양 에너지의 근원이 수소 핵융합이라는 것을 알았고, 그 무궁무진 한 에너지를 사용하기 위해 연구했는데 연구 결과 수소 핵융합의 조건이 최소 1500만도 이상이라는 것을 알게 되자 포기하게 됩니다. 

하지만 핵분열을 이용한 원자폭탄을 연구개발하면서 발생하는 열이 1500만도에 근접할 수도 있겠다는 가능성을 봤고, 맨해튼 프로젝트에 참여했던 일부 과학자들과 수학자들이 수소폭탄 개발 가능성을 확인합니다. 

원폭 만으로도 너무 막대한 폭발력이 확인되자 대부분의 맨해튼 프로젝트 참여 학자들은 원폭보다 강력한 수소폭탄 개발을 반대합니다.

하지만 동유럽 출신의 유대인 학자였던 에드워드 텔러(헝가리), 스타니스와프 울람(폴란드) 그리고 폰 노이만(헝가리)은 수소폭탄 개발 찬성파였습니다. 

1945~1949년 원폭 독점으로 수소폭탄의 개발에 관심이 없던 미국 정치인들은 소련이 1949년 원폭 실험에 성공하자 부랴부랴 수소폭탄 개발에 막대한 지원금이 들어가게 됩니다. 

수소폭탄이 원자폭탄보다 강한 이유

원자폭탄은 핵분열을 이용하고, 핵분열을 일으키기 위해선 임계질량 이상의 핵물질(우라늄, 플로토늄 등)이 필요합니다.

원하는 위치에 원하는 시간에 폭발시키려면 핵물질을 여러 덩어리로 분리했다가 나중에 합쳐야 합니다. 

하지만 핵물질을 정확한 위치, 정확한 시간에 맞춰 모으기도 힘들 뿐더러 초임계상태에 들어서서 핵분열 연쇄반응을 시작하면 그 순간 핵물질이 사방팔방으로 흩어지면서 핵분열 반응이 사용한 핵물질 무게만큼 지속하지 못하기에 폭발력에 한계가 있습니다. 

(핵분열 원폭의 위력은 최대 TNT 수백k ton 수준)

하지만 핵융합은 온도만 유지되고 재료만 있다면 계속 반응을 유지하며 폭발력을 높힐 수 있고, TNT ton 기준으로 수백k 단위를 넘어서 백만 단위의 폭발력이 나옵니다. 

열핵폭탄, 수소폭탄의 시대 (Thermonuclear bomb, Hydrogen bomb)

수소폭탄을 구체화 해서 개발하려면 수많은 시나리오에 대한 시뮬레이션과 계산이 필요했는데 이걸 계산해서 프로젝트 성공에 큰 공을 세운게 폰 노이만입니다. 

위에 언급된 텔러, 울람이 결국에는 수소폭탄 설계에 성공해 10Mega 단위의 핵무기 시대가 열립니다. 

미국의 전략 SLBM에 탑재된 수소폭탄의 구조 예상도. 

"텔러-울람" 구조가 도입된 것으로 알려져 있지만 수소폭탄은 초극비이므로 정확한 설계도는 결코 공개될 일이 없습니다. 

- 텔러와 울람이 구상한 "텔러-울람" 수소폭탄의 동작을 설명해주는 삽화

외부 케이스: 타지 않고 고온을 버티는 우라늄-238

내부의 상단: 원자폭탄(수소폭탄의 기폭제)

내부의  하단: 핵융합 물질(중수소, 삼중수소 그리고 플루토늄)

B: 상단의 원자폭탄이 터지면서 에너지 발생

C: 발생한 막대한 에너지가 밖으로 나가지 않고 핵분열 재료(수소)가 있는 하단으로 모이고, 하단의 통을 찌그러트립니다.

D: 하단의 통에는 중수소와 삼중수소가 있고, 그 중심에는 플루토늄이 있는데 외부 압력에 의해 플루토늄이 뭉치면서 핵분열이 발생합니다. 

이때 내외부의 폭발로 중수소와 삼중수소에는 어마어마한 압력과 온도가 가해지게 됩니다. 

E: 임계 온도를 넘긴 수소는 결국 핵융합을 시작해 수소폭탄으로서 폭발합니다. 

뒷 이야기

미국의 수소폭탄 실험에서 계산한 값보다 더 큰 위력에 놀랐다는 유명한 일화가 있습니다.

왜?

타지 않는 외부 케이스의 재료로 사용한 우라늄-238이 평소에는 중성자(핵분열 원자폭탄에서 연쇄반응을 일으킴)에 분열하지 않지만, 핵융합 과정에서 극한의 에너지를 가지고 튀어나온 중성자가 우라늄-238의 핵분열을 일으킵니다. 

이 결과 6메가 톤 정도로 예상했던 미국의 수소폭탄 위력이 실제로는 15메가 톤으로 관측되었습니다. 

즉 핵분열-핵융합-핵분열 연속작용으로 위력이 막대해진 겁니다. 

외전. 결국 천재들이 생각하는 건 비슷하다?  

미국과 영국 내 소련 스파이들에게서 미국의 원폭, 수폭 개발 정보를 얻긴 했지만 소련 내부에서도 독자적으로 "텔러-울람" 방식의 수소폭탄을 설계한 이가 있었습니다. 

소비에트의 오펜하이머, 소비에트의 텔러라고 불리는 안드레이 사하로프. 

* 폭축렌즈: 각각의 폭발에서 발생한 충격파를 굴절시켜 한 곳으로 모아서 더 큰 충격 에너지를 만드는 방식.

우라늄이 핵분열을 일으키려면 임계질량 이상으로 모아져야 하는데, 사용하기 전에는 우라늄을 분리했다가 폭축렌즈를 통해 중앙으로 모아서 임계질량을 넘겨 핵폭발을 일으킴.