[스크랩] 열화 우라늄탄

운동에너지탄의 관통자는 보통 텅스텐이나 열화우라늄과 같은 단단하고 무거운 금속으로 만들어진다.텅스텐은 이미 2차대전때부터 사용됐으며 처음에는 상대적으로 가공이 쉬운 탄화텅스텐 형태로 이용됐다.텅스텐 자체가 꽤 다루기 힘든 금속이였고 녹는점만 3천도를 넘어갔고,당시 기술로는 만만한 탄화텅스텐을 쓰는게 유리했다.탄화텅스텐을 아주 고운 미세분말상태로 만들고 코발트-니켈같은 금속과 혼합 고온에서 압축하며 구워내 코발트-니켈이 접착제 역활을 하여 탄화텅스텐을 고정시키는 방법으로 관통자를 제작했다.그러나 이 방법은 재료 자체가 단단하긴 하지만 잘 부스러지려는 특성을 가져 1960년대 이후로는 점차 잘 쓰지 않게 됐다.지금의 텅스텐 관통자는 텅스텐에 니켈, 구리, 망간따위의 금속을 포함하여 분자 레벨에서 결정을 형성시켜 만들어낸다.텅스텐 분자를 합금화할 다른 금속으로 감싸 서로 달라붙게 만드는 것으로 꽤 어려운 기술이다.대략 관통자에 사용된 텅스텐 합금 비중은 17000 ~ 18500kg/m3정도이다..

 

운동에너지탄의 탄체의 재질에는 탄탈이 최적이지만, 탄탈은 매우 희소한 금속이기 때문에 통상은 탄탈보다 저렴한 텅스텐 합금이 사용되고 있다. 또, 미국이나 러시아 등의 일부 국가에서는 텅스텐보다 관통력이 뛰어나고 무엇보다 핵폐기물로서 저렴한 열화 우라늄 합금을 이용하고 있다. 동구권에서는 간혹 열처리한 강철도 사용되나 성능은 그다지 좋지 않다.

 

광산에서 캐낸 천연우라늄 금속은 아주 극소량 0.0052%정도의 우라늄234(234U)와 0.719%정도 소량의 우라늄235(235U)와 99.28%로 다수를 차지하는 우라늄238(238U) 세 가지 동위원소로 이루어져서 존재한다. 이 중 핵폭탄 제조에는 우라늄235가 사용되는데, 산출되는 천연우라늄 중에는 겨우 0.7%밖에 없기 때문에 이를 농축시켜 농도를 90% 이상 높여야 한다(30-70%로 농축한 연료는 원자력 항공모함이나 원자력 잠수함에 연료로 사용되고 90%이상 농축해야 비로소 원자폭탄에 사용된다.농축시설을 가진나라는 미,영,불,러,중,파키스탄,인도이고 이스라엘,북한은 의심..남북한간의 한반도 비핵화 공동선언에서는 핵재처리 시설과 우라늄 농축시설 보유를 금하고 있다.).

 

열화우라늄(감손우라늄)이란 천연우라늄을 핵무기 또는 원자로의 핵 연료로 사용하기 위하여 우라늄 농축과정에서, 또는 사용한 연료의 재처리 과정에서 생기는 천연 우라늄의 부산물이다.천연 우라늄을 원자력 발전연료나 무기재료로 사용하려면 먼저 정제 과정을 거치는데, 이때 생기는 부산물이 열화우라늄이다.자연상태의 우라늄광에서 발전에 필요한 1%미만의 우라늄235를 빼고 나머지 99%가 우라늄238이다.이 우라늄 238로 열화우라늄탄이 만들어진다.열화우라늄은 일단 고준위 방사성 폐기물¹로서 통상적으로는 핵 폐기물질 저장소에 보관 되어야 한다.폭탄을 만들던 발전을 하던 1%의 235를 추출하기위해 마구 쏟아지는 99% 산업폐기물이 바로 238열화우라늄인 것이다. 우리나라가 열화우라늄을 못가지는건 이 235와 238을 분류하는게 바로 핵연료 분리 농축작업이기 때문이다. 우리가 가질수 없도록 규정된 시설들 이다.

열화우라늄은 아주 미약한 방사선을 지니고 있지만 강도와 무게가 높기때문에 대전차 포탄의 관통자등으로 많이 이용되고 있는 것이다.

☞ 천연우라늄은 99.274%의 우라늄238 ,0.720%의 우라늄235 ,0.0055%의 우라늄234으로 이루어져 있으며
    열화우라늄은 99%이상의 우라늄238 ,0.202%의 우라늄235 ,0.0008%의 우라늄234로 이루어져 있다.

                    ( U-235를 0.3%이하로 포함한 것을 열화우라늄이라 함)

 

열화 우라늄탄 이하 DU탄(Depleted Uranium 탄) 에 대한 개념은 영국에서 잡은 것으로 알려져 있으며 세계 최초로 DU탄을 개발한 것은 구소련으로 알려져있다. 80년대 중반 열화우라늄 폐기물로 만든 DU탄은 일반 탄환에 비하여 비중이 무겁고 장갑차 파괴력과 관통력 뛰어난 것으로 알려져 걸프전 때부터 주로 미군이 사용하고 있다.약 0.75%의 티타늄과 99.25%의 열화우라늄이 포함된 합금으로 열화우라늄탄이 만들어진다(열화 우라늄 금속 자체의 고밀도 특성과 티타늄을 첨가하여 열화우라늄-티타늄 합금처리의 경우 강도가 훨씬 더 강력해진다).

핵발전에 사용된 235우라늄 부산물인 238을 재가공해 만들었다고 해서 폐기 우라늄탄(UD·Depleted Uranium 탄) 또는 우라늄의 방사능 성분이 줄어든 소재를 사용했다는 의미로 열화(劣化)우라늄탄으로도 불린다. 흔히들 열화 우라늄 하니까 熱(hot)化우라늄으로 잘못 아는데 사실은 劣(inferior)化 우라늄으로서 즉, 열등한 우라늄이라는 뜻이다..일부 군부대에서는 잘못알고 와전되서 熱化우라늄으로 표기하는 곳도 있으나 잘못된 것이다.우라늄 238로 만들어진 열화우라늄탄은 천연우라늄(우라늄 238이 99.28%정도이고,우라늄 235가 0.719%정도이며 아주 극소량의 우라늄234가 0.0052%으로 이루어진다)에서 원자력발전 원료인 U-235를 농축하는 과정에서 발생되는 폐기물인 U-238을 재료로 만든 폭탄이다. 열화우라늄탄은 우라늄 238(99.79%)과 우라늄 235(0.2%)가 주요 성분인데,핵무기는 아니지만 핵 분열성 물질인 우랴늄 235를 극소(0.2%)나마 포함하고 있기 때문에 공격 목표와 충돌하는 순간 인체에 치명적일 수 있는 미세한 방사능 먼지를 내뿜는다.미국 국방성의 mil-spec에는 U-235를 0.3%이하로 포함한 것을 열화우라늄이라 한다고 규정되어있고, 실제 미국 군대에서 쓰는 열화우라늄에는 약 0.2%의 U-235가 포함되어 있다고 한다.즉,U-235를 완전히 뽑아낼수있는 기술이 아직까진 없는 것이다.

 

그런데 텅스텐도 있지만 열화우라늄도 운동에너지탄의 탄심으로 많이 쓰이는데는 다음과 같은 이유들이 있다.

• 밀도,비중이 높다(납의 1.7배, 강철의 2.5배에 달하는 밀도를 갖고있다.즉 쪼만한놈이 무겁단 말이다.텅스텐의 경우 비중이 19.3이며, 우라늄의 경우는 비중이 19.050 으로 거의 비슷하지만 텅스텐은 녹는점이 3천도를 넘어서 가공이 힘들고 상대적으로 가격이 비싸다.비중이 텅스텐보다 약간 낮아도 열화우라늄은 Self-Sharpning(자기첨예화) 성질을 가지고 있어서 관통력은 텅스텐보다 높다.대부분의 경우 밀도와 비중은 같은 개념임)
• 단단하다.(제대로 가공하면 텅스텐탄 보다 10% 정도는 더 단단하다고 한다.)
• 텅스텐에 비해 가공이 쉽고 가격면에서 유리하다(실은 열화우라늄은 폐기물로서 버려야할 물질이다..텅스텐은 자체가 비싼 금속이고 다루는 기술도 훨씬 더 어렵다)
• Self-Sharpning(자기첨예화) 성질이 있다(스스로 알아서 날카롭고 뾰족해 진다는 말이다. 이게 가장 큰 장점중 하나다..유리가 깨질때 조각들이 날카롭게되며 깨지는 성질과 조금 비스무리하다..즉 텅스텐이나 강철로된 탄심은 강판을 관통할때 뾰족한 첨단부가 점점 양송이버섯처럼 뭉그러지는데 반해 열화우라늄은 장갑을 관통하면서 뭉그러지지 않고 스스로 날카로워 짐과 동시에 이로 인하여 떨어지는 작은 파편들이 공기 중에서 작열(灼熱)하게 된다(우라늄은 이렇게 가루가 되면 발화점이  낮아지면서 산소와 반응하여 자기발화 효과도 있게 된다). 이러한 스파크로 인해 감손 우라늄 탄은 폭발 없이도 목표물 내부의 연료나 탄약의 폭발을 불러 일으킬 수도 있는 것이다.자연발화성이 있어서 이때 갈려나간 파편이나 분말들이 불이 붙어서 주변을 태워 버리기도 하는 것이다..열화우라늄이 불붙는 성질 때문에 운동에너지탄으로 많이 사용되는 것은 아니다. 이건 오히려 부수적인 효과일 따름이다².)

 

 

열화 우라늄을 무기에 많이 이용하는 것은 값이 싸기 때문이 아니고 사실 그 물리적특성 때문에가 가장 크다.

 

전차의 포탄이나 기관포탄의 경우는 관통을 해야 하는 탄환이라는 특성상 단위부피당 질량이 무거운 중금속일수록 유리할수 밖에 없다.총알이 가벼우면 측풍(옆바람)에 탄환이 영향을 받게되니 무거울수록 유리하고,더욱이 관통력에서도 질량이 무거운쪽이 유리하다.실상 이러한 무거운 금속은 지구상에 납과 텅스텐 정도가 있다.하지만 납은 성질이 무르기 때문에 탄환의 탄두를 납으로 만들게 되면 관통을 하지 못하고 탄두가 목표물(주로 전차의 장갑)에 부딪힐 경우 버섯 모양으로 뭉개져 버린다.무거우면서 무르다는 특성상 옛날 화승총이나 머스켓 총알로 많이 쓰였지만 너무 무르기 때문에 현대에 와서 보통의 포탄은(관통을 목적으로 하는 철갑탄) 강철제로 만드는 것이 일반적이었는데 2차 대전무렵부터 전차/대전차포탄과 포의 기술이 발전하면서 텅스텐 합금을 사용한 포탄들이 개발되기에 이른다..강철제 포탄은 적 전차의 장갑에 직격했을때 탄자가 깨져 버리는 문제가 발생하지만 텅스텐은 이러한 현상이 강철보다 적기 때문에 아주 우수한 관통력을 발휘하게 한다. 그런데 문제는 텅스텐은 매우 귀하고 값비싼 광물이였기 때문에 2차 대전의 독일군은 텅스텐 포탄이 우수한 것을 알면서도 텅스텐 포탄을 거의 사용하지 못했다. 이후 미국도 텅스텐 중합체로 만들어진 탄두를 연구하다가 열화우라늄이 텅스텐 탄자에 비해 10%관통력이 뛰어나다는 점과 텅스텐 중합체 탄두의 관통력을 향상시키지를 못해서 기술개발을 포기하고 열화우라늄을 그냥 쓰게 된다. 미국에겐 열화우라늄이 바로 이런 골치아픈 문제를 해결해줄수 있는 구세주로 떠올랐던 것이다.쓰레기도 처리하면서 텅스텐 못지 않은 소재로 쓰일 수 있다는 것이 알려지게 된 것이다. 더구나 텅스텐의 경우도 강철보다는 덜할 뿐이지 그러한 현상(즉 적전차의 장갑에 명중시 탄자(심)이 깨지거나 버섯모양으로 뭉개지는 현상)이 전혀 없는 것은 아니다.하지만 열화우라늄은 장갑파괴용 탄두 관통자(Penetrator) 재료로 이러한 현상이 적어 티타늄보다 훨씬 우수하다. 왜냐하면 열화우라늄 금속 자체의 고밀도 특성과 티타늄을 첨가하여 열화우라늄-티타늄 합금처리의 경우 강도가 훨씬 강해지는데, 장갑 목표물 충격시 텅스텐 관통자와 같이 무뎌지는 단점이 없고 더불어 발화성까지 있어 목표에 명중 순간 연소하는 부수효과까지 있으면서 관통을 하는 것이다..열화우라늄 중합체의 재질 자체가 관통시의 열에 의해 스스로 날카로와지는 self sharpning 성질을 가지고 있어서 일반적으로 텅스텐 탄자에 비해 관통력이 10%이상 더 나오게 된다.대전차탄의 관통자 소재로서는 1석3조4조의 우수한 재료가 될수 밖에 없는 것이다( http://blog.naver.com/kwangaetow/60059060287).

 

열화우라늄탄에 대한 오해중 하나가 고열을 내서 장갑을 녹여 관통력이 높다는 것인데, 사실 날탄의 속도는 대단히 빠르다. 가열된 인두로 얼음을 세게 찍는다고 할 때 이것은 얼음이 녹아서 부숴졌다기보단 인두가 가진 운동에너지가 얼음을 박살냈다고 보는게 옳다. 즉 날탄 역시 마찬가지로 고열을 낸다고 하더라도 어디까지나 날탄은 운동에너지로 관통하는 것이지 열로 관통하는 것은 아니다(초기 개발자들이 무기를 테스트한 후 "마치 뜨거운 칼로 버터를 자른듯 하다"고 말했는데 이런거에서 번역상의 오해와 열화劣化우라늄을 熱化우라늄으로 잘못 아는데에서도 오해하는것 같다.).열화우라늄은 덩어리상태에선 괜찮은데 충돌후 파편이 공기에 노출시 고열 발생과 함께 발화되는 특성이 있어 미립자 상태에선 반응성이 좋아 불이 잘 붙지만 이때 온도가 800도 정도 인데 이정도로는 강철을 녹일수 없다..즉, 장갑을 녹일 정도의 고온이 발생하지는 않으며 관통시에 발생하는 미세한 분말이 급격한 산화반응으로 연소하는 것은 부수적인 발화효과일 뿐이다. 열화우라늄이 기존의 텅스텐탄보다 관통효과가 좋은 이유는 발화효과와는 별달리 관련이 없고 금속 성질에 따른 self-sharp 와 밀접한 관련이 있는 것이다.최근 우리나라에서 개발한 텅스텐 관통자의 경우 특별한 처리를 통해서 이런 self-sharp 성질을 가지는데 열화우라늄탄과 거의 동일한 수준의 관통력을 가지고 있다고 한다.

열화우라늄탄은 1991년 걸프전쟁에서 미군이 처음으로 사용하여 이라크 전차 1200여 대를 파괴하는 전과를 올렸으며, 이후 세계 전역으로 급속히 확산되었다. 그러나 걸프전쟁에 참가한 군인들 중 '걸프증후군'이라고 하는 정체불명의 병을 앓는 사람이 늘어나자 그 원인으로 열화우라늄탄이 거론되면서 문제가 되었다. 또한 1995년의 보스니아전쟁, 1999년의 코소보전쟁에서도 사용되어 '발칸증후군'을 유발하기도 하였다.

 

여하간 이러한 열화 우라늄탄은 이론적으로는 인체에 거의 해가 없다고 주장되어지기도 하지만 문제가 그리 간단하지가 않다. 일단 목표에 명중된 탄환은 바로 고온으로 발화하면서 장갑을 태우게 되는데 이때 미세한 우라늄 분진이 날림으로서 그것이 인체에 흡수되면 치명적 발암/질병유발 물질이 된다고 보는 견해가 있다. 이 설에 대해서 반론이 분분한데 문제는 열화 우라늄탄이 안전하다고 주장하는 사람들은 모두 열화 우라늄탄이 쓰이는 지역에는 있지 않는 사람들이라는 점이다.

 

열화 우라늄이 최고의 무기와 장갑재로 사용된다고 하면, 열화 우라늄이 가지고 있는 문제점은 어떤 것들일까? 열화 우라늄은 약간의 방사능을 방출하는 중금속이다. 열화 우라늄은 기본적으로 알파선(alpha)을 방출하지만 적은 양의 베타선(beta), 감마선(gamma), X-선도 방출한다. 중금속이라는 측면에서 열화 우라늄은 납과 같이 화학적인 독성을 가지고 있다. 호흡을 통한 폐나 소화 기관을 통해 열화 우라늄 잔류물을 대량으로 축적하게 되면 건강에 치명적인 악영향을 줄 수가 있다는 점이다.
실제적인 시험을 통해 병사가 다음과 같은 상황 아래서 열화 우라늄의 영향을 받을 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

 - 열화 우라늄에 의하여 피격을 당한 목표물 안이나 근처에 있을 경우
 - 어떠한 종류의 포탄에 의해 피격을 당하여 관통된 우라늄 중장갑 전차의 내부 또는 근처에 있을 경우
 - 열화 우라늄 탄이 발사되는 장소 근처에 있을 경우
 - 열화 우라늄 탄에 맞은 차량이나 열화 우라늄 장갑재가 파괴된 차량에 빈번하게 탑승하는 경우

최소한 포탄 자체를 다룰때 방사능에 의한 해는 거의 없다고 봐도 되겠지만, 이것이 발사되어 목표에 명중해서 분진이 되어 신체에 흡수되면 조직에 약하게나마 방사선이 쬐이게되고 이러한 약한 방사선 피폭이 어떤 결과를 가져올지는 솔직히 아무도 모르는 일이다.(우라늄의 방사능 반감기가 45억년 이니 일생에 걸쳐 계속 피폭되는 셈이다.)

전장에서 흔히 볼 수 있는 열화 우라늄 탄을 맨손으로 만지는 병사들 역시 상당한 양의 열화 우라늄에 노출되고 있다. 물론 모든 병사가 전장에서 그렇게 하도록 명령을 받지 않는 이상 그러한 종류의 잔해를 취급하는 것은 적절치 않다는 것을 다 알고 있다. 또한, 의무병도 우라늄 탄에 의해 부상당한 병사를 처치할 때 기피하는 경우가 생길 수도 있다. 열화 우라늄 파편에 의해 부상을 입은 병사들에 대한 연구에서 열화 우라늄의 방사능 또는 화학적인 특성과 관련하여 병사들의 건강에 어떻게 나쁜 영향을 미치는가를 밝혀내는데 실패하였다.

 

사실 이러한 지적이 나오게 된 것은 걸프전에서 미군의 M1A1에이브람스 전차와 브레들리 장갑차등이 아군 전차의 사격이나 아군기의 오폭을 뒤집어 쓰는 일이 발생했는데 이때 이들 차량을 재사용하기 위해서 이러한 손상을 입은 차량들의 방사능 수치를 연구하고 제독을 하던 미국의 연구팀원(10명 내외의 대학교수들까지 포함된 전문팀이었다)들이 전쟁후 원인모를 질병으로 시름시름 앓다가 모두 죽고 한명만이 살아남았는데 이사람이 열화우라늄탄에 대해 폭로하기 시작하면서 소위 '걸프전 증후군'이 불거지게 된 것이다.

 

걸프전에서 직접 전투에서 죽은 병사는 채 몇백이 되지 않지만 전쟁이후 십수년간 역추적 조사결과 수만~수천의 참전인원들이 뚜렷한 이유도 없이 괴질에 시달리거나 죽었거나 2세로 기형아를 출산하는등의 충격적 결과가 발표되었고 이에 대해서 이라크군의 생화학 무기공격에 대비해서 미군병사들에게 의무 접종시켰던 백신의 부작용이라는 설.....이라크군이 대량으로 방화한 유전의 매연 때문이란 설....그리고 가장 유력한 범인으로 지목된 것이 바로 이 "열화 우라늄탄"이었다.. 미국방부는 이를 철저히 은폐하고 있고 대부분의 군사작전이 본토가 아닌 해외이다 보니 더욱 더 이러한 설을 무시하고 있다.

 

이후 미군이 참전했던 발칸분쟁에서도 소위 발칸 증후군이 나타났는데..발칸 지역에 투입됐던 유럽 평화유지군들이 원인모를 괴질에 시달렸다.이당시에도 미군기들은 발칸지역에 30mm열화우라늄탄을 뿌리다 시피 했었다..결국 열화 우라늄의 이러한 부작용은 마치 30년전 미군이 베트남전에서 대량으로 사용했던 에이전트 오렌지(고엽제)와 유사한 면이 있다. 미군이 해외 작전을 주로 하지 않고 포탄소모량이 엄청나게 많지 않았다면 과연 자국의 영토에서 열화 우라늄탄을 쓸까? 하는 의문이 들며...덕분에 미국과 소련등 일부 강대국을 제외하고는 이러한 비난/의심 때문에 부득불 비싼 텅스텐 탄을 사용하고 있다..과학자들은 열화우라늄탄이 걸프증후군과 발칸증후군의 원인일 수 있다는 점에 대해서는 엇갈린 의견을 내놓고 있어 그 관련성이 명확히 입증되지 않고 있다..열화 우라늄이 안전하다/안전하지 않다에 관한 설이 분분하지만 한가지 확실한 것은 몸에 좋은 놈은 아니라는 것이다.

 

환경단체들의 주장에 따르면 우라늄 탄환이 폭발할 때 방출되는 방사성 물질이 수km까지 퍼져 빗물에 녹아 지하수와 표층수를 오염시키고, 이 물질이 체내에 축적되면 신장에 종양을 유발할 수 있다고 한다.시민단체들은 열화 우라늄 탄환 사용을 반대하며 그와 성능이 비슷한 텅스텐 탄으로 교체를 주장하고 있으나 워낙 열화 우라늄탄이 제조비가 값싸며  성능이 뛰어 나기때문에  교체에는 상당한 시간이 걸릴듯 싶다.

 

열화 우라늄탄은 현재 미국,프랑스,영국 같은 선진국들과 나토연맹국에서 사용하고 있는 것으로 알려져 있으며 한국군은 텡스턴 탄을 사용하고 있다.그리고  우리나라 국방과학 연구소에서는 텅스텐 소재이면서도 열화 우라늄탄과 맞먹는 관통력을 발휘하는 텅스텐 중합금 관통자를 개발해 내는데 성공했다.세계 최고의 독보적인 우수한 기술이라고 한다.

 

열화 우라늄탄이 사용 되는 곳은 방대한데 미국의 전차용(MIA1/2) 120㎜ 철갑탄, 150㎜ 철갑탄, 공군의 A-10 공격기30㎜ 기관포탄, AV-8B 해리어Ⅱ의 25㎜ 기관포탄, 해군 대함 미사일 요격용 2㎜ 기관포탄 등과 영국 전차 챌린저의 120㎜ 철갑탄등에 사용되고 있다.
대한민국은 '오산.수원.청주의 미군기지에 열화우라늄탄 3백만발 있다 한다.'

 

 

 

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출처 = 국방과학연구소
http://www.add.re.kr/webzin/200212/contents/plan.asp

 

텅스텐중합금이란 단일 금속이 아니라, 텅스텐이 무게비로 90% 이상 포함되어 있고 나머지는 니켈(Ni)과 철(Fe)로 구성된 합금(alloy)이다. 구조적으로는 둥근 텅스텐 입자가 텅스텐, 니켈, 철로 구성된 기지상(matrix phase)에 둘러싸여 있다.

국방과학기술에서 텅스텐중합금(tungsten heavy alloy)은 주로 중장갑(heavy armour)으로 무장한 전차(tank)를 파괴시키는 대전차탄의 관통자로 사용된다.

대전차탄에는 그림 1에서 보는 바와 같이 화약의 폭발력을 관통자에 전달하여 목표물을 파괴하는 날개안정철갑탄(APFSDS : armor piercing fin stabilized discarding sabot)과 성형작약(shaped charge liner)의 원리에 의해 금속 제트(metal jet)를 만들어 전차를 관통시키는 히트(heat)탄이 있다. 이 중 날개안정철갑탄은 관통자의 운동에너지(½mv^2)를 이용하기 때문에, 관통성능을 향상시키기 위해서는 밀도가 큰, 바꾸어 말하면 질량(m)이 큰 재료를 관통자로 사용하는 것이 유리하다.

따라서, 다른 재료들보다 밀도가 큰 열화우라늄(DU : depleted uranium) (철(Fe)의 약 2.5배) 이나 텅스텐중합금이 널리 사용되고 있다.
본 기술 현황에서는 텅스텐중합금과 열화우라늄이 날개안정철갑탄의 관통자로써 각각 어떠한 장점과 단점이 있고, 그 원인은 무엇이며, 특히 텅스텐중합금의 경우 최근의 연구가 어떤 방향으로 진행되고 있는지에 관하여 전망해보고자 한다.

열화우라늄이란 천연우라늄(99.3% U238 + 0.7% U235)을 핵폭탄이나 핵연료로 사용하기 위하여 농축하는 과정에서 생기는 일종의 폐기물로서, 반응성이 큰 U235의 함량이 천연우라늄에 비해 낮기 때문에 (99.7% U238 + 0.3% U235) “열화 (劣化)”라는 말을 사용하고 있다. 이러한 열화우라늄을 대전차탄의 관통자로 사용하면, 핵 폐기물을 재활용할 수 있다는 이점이 있으며, 관통 성능이 텅스텐중합금에 비해 약 10% 이상 우수하기 때문에 현재 미국을 비롯하여 영국과 러시아 등이 다량 보유하거나 사용하고 있다.

그러나 열화우라늄 관통자는 목표물에 충돌하면 연소되면서 유독성의 산화 우라늄 분진으로 대기 중에 흩어져 환경오염을 일으킬 뿐만 아니라 인체에 흡수될 경우에는 폐와 신장에 치명적인 영향을 주는 단점이 있다.

날개안정철갑탄은 그림 3에 나타난 바와 같이 포구에서 나오는 즉시 관통자와 이탈피(sabot)가 분리된다. 이때 이탈피는 포강 내에서 화약의 폭발로 발생한 압력을 관통자에 전달하여 관통자의 운동에너지를 극대화시키는 역할을 하며, 관통자는 끝까지 비행하여 그림 4에서 보는 바와 같이 목표물과 충돌하여 파괴시킨다. 따라서 최근까지 많은 연구자들은 관통자의 인장강도, 밀도, 인성 및 연성 등을 높이면, 관통자가 목표물과 충돌 시 잘 견딜 수 있을 것이라는 믿음아래 관통자의 기계적 성질을 높이는 연구를 수행해왔다. 그러나 자연계의 모든 현상이 그러하듯이, 텅스텐중합금 관통자의 기계적 성질들도 서로 밀접하게 연결되어서 하나가 좋아지면 다른 것은 나빠지는 경향(trade-off)을 나타낸다. 예를 들면, 텅스텐 함량을 올리면 인장강도와 밀도는 증가하지만, 연신율과 충격인성은 급격히 감소하게 된다.

따라서 그동안 많은 연구자들은 텅스텐 함량을 올리면서 기지상의 화학 조성, 소결 및 열처리 조건 등을 변화시켜 연신율과 인성의 감소를 최소화시키려는 노력을 경주하였으며, 결과적으로 텅스텐중합금의 기계적 성질에 대해 비약적인 발전을 이룩하였다.

이 중에서도 국방과학연구소에서 개발한 다단열처리(cyclic heat-treatment) 기술은 다른 기계적 성질을 변화시키지 않고 충격 인성을 300% 이상 증가시켜 텅스텐중합금 관련 연구자들을 놀라게 하였다.

 

다단 열처리기술은 텅스텐중합금을 높은 온도와 상온으로 반복적인 열처리를 해줌으로써, 그림 5에 나타난 바와 같이, 약한 텅스텐/텅스텐 계면을 강한 텅스텐/기지상 계면으로 변화시킴으로써 충격인성을 획기적으로 증가시킨 기술이다.

그러나, 이와 같이 텅스텐중합금의 기계적 성질이 획기적으로 증가하였음에도 불구하고 텅스텐중합금의 관통 성능은 아직까지 열화우라늄에는 미치지 못하고 있는 실정이다. 날개안정철갑탄의 관통 성능은 어느 정도의 거리에서 얼마만큼의 두께를 갖는 장갑재료를 뚫을 수 있느냐를 나타낸다. 즉, 관통 성능이 우수한 날개안정철갑탄을 갖고 있는 전차는 열등한 전차의 사정거리 밖에서 전투할 수 있기 때문에 생존성 측면에서 절대적으로 유리한 입장에 있게 된다. 이는 걸프전에서 열화우라늄 관통자로 무장한 연합군 전차가 이라크 전차의 사정거리 밖에서 이라크 탱크를 궤멸시킴으로써 여실히 증명되었다. 이러한 열화우라늄과 텅스텐중합금의 관통 성능의 차이는 조금은 생소한 개념이지만 셀프샤프닝(self sharpening)과 머쉬루밍(mushrooming)이라 불리는 현상을 통해서 이해될 수 있다.

 

그림 6은 열화우라늄과 텅스텐중합금 관통자가 목표물에 충돌할 때 관통자의 선단 부위의 모양을 나타낸 것이다. 열화우라늄 관통자는 텅스텐중합금에 비해 선단 부위가 뾰족하며 관통 직경도 작음을 알 수 있다. 이러한 현상을 셀프샤프닝이라 부르며, 관통자가 목표물을 관통할 때 관통자의 선단 부위가 계속해서 국부적 변형(localized deformation)을 일으키기 때문에 생기는 것이다.

국부변형이 계속해서 일어나는 이유는 관통자가 목표물에 충돌할 때 발생한 열이 밖으로 전달되어 소멸되지 못하고 특정한 곳에 집중되어 그 열때문에 연화(softening)되기 때문이다. 따라서 셀프샤프닝 현상은 일반적으로 재료가 열을 얼마나 빨리 전달할 수 있느냐의 정도를 나타내는 열전도도(thermal conductivity)의 크기에 반비례한다. 즉, 열화우라늄과 같이 열전도도가 낮은 재료(표 1 참조)는 셀프샤프닝이 잘 일어나게 된다.

                                                                    [ 표 1. 관통자 재료들의 열전도도 ]

재료	열전도도(W /mk)
텅스텐 (W)	174
철 (Fe)	78.2
니켈 (Ni)	88.5
열화우라늄 (DU)	28
망간 (Mn)	7.8
하프튬 (Hf)	22.9

반면에 텅스텐중합금의 구성 원소들(텅스텐, 니켈, 철)은 표 1에서 보는 바와 같이 열전도도가 높기 때문에, 관통자가 목표물과 충돌할 때 선단 부위가 전체적으로 변형되어 버섯 모양과 같이 된다. 이러한 머쉬루밍(버섯닮았다고 mushrooming이라고 표현) 현상이 발생하면 관통자와 목표물의 접촉 면적이 증가되고 에너지 집중도가 떨어져 열화우라늄에 비해 약 10% 정도 낮은 관통력을 나타내게 된다. 따라서 최근의 텅스텐중합금 연구들은 어떻게 하면 텅스텐중합금을 열화우라늄과 같이 셀프샤프닝 현상이 잘 일어날 수 있게 만드느냐에 모든 관심을 집중하고 있다.

 

이들 연구 중, 열전도도가 낮은 망간(Mn)이나 하프늄(Hf)을 텅스텐중합금에 첨가하여 열이 밖으로 전달되는 것을 방해하려는 시도는 대단히 흥미로운 연구 결과를 낳았다.

고속 충돌시험 결과, 텅스텐중합금에 첨가된 망간과 하프늄은 텅스텐중합금의 국부적 변형을 크게 촉진시킨다는 사실이 입증되었다. 그러나, 망간이나 하프늄이 첨가된 텅스텐중합금은 아직까지 날개안정철갑탄의 관통자로 사용되기에는 해결되어야 할 제조 공정상의 문제점을 갖고 있다. 망간과 하프늄은 텅스텐중합금의 다른 구성 원소들(텅스텐, 니켈, 철)에 비해 산소(O2)를 좋아해서, 수소나 진공 분위기에서 제조하여도 그림 7에서 볼 수 있는 바와 같이 시편 내부에 기공들(pores)을 남긴다. 이러한 기공들은 텅스텐중합금 관통자의 기계적 성질(인장강도와 연신율)을 낮추어 관통자가 목표물에 충돌 시 부러지는 원인이 된다. 최근에 국방과학연구소에서는 “분위기 조절법”과 “재소결법”이라는 새로운 방법을 개발하여 실험실 조건에서 기공의 생성을 억제하였으나, 양산 공정에 적용하기 위해서는 아직도 많은 노력이 필요한 상태이다.

 

텅스텐중합금의 관통력을 증가시키려는 또 다른 흥미로운 시도는 텅스텐입자의 크기나 모양을 변화시켜 셀프샤프닝 효과를 일으키는 것이다. 이를 좀더 자세히 설명하면, 둥글고 작은 텅스텐 입자를 갖는(그림 8의 왼쪽) 텅스텐중합금에 열이나 기계적 에너지를 인가한 후 재소결(re-sintering)을 하면 텅스텐 입자는 그림 8의 오른쪽에서 보는 바와 같이 커지고 변형되게 된다. 이러한 텅스텐 입자의 형상 변화는 텅스텐중합금 관통자가 목표물과 충돌시 선단 부위의 변형 거동을 변화시킨다.

텅스텐 입자의 크기가 작고 둥근 경우에는, 변형이 텅스텐 입자 내부에 비해 상대적으로 약한 텅스텐/텅스텐 계면이나 텅스텐/기지상 계면을 따라가면서 전체적으로 일어난다. 반면에, 텅스텐 입자가 커지거나 불규칙해지면 변형이 상기 계면들을 따라 일어나지 않고 국부적으로 집중된다. 국방과학연구소에서 개발된 이와 같은 미세조직 제어 기술은 텅스텐중합금 관통자의 관통 성능을 10% 이상 크게 향상시켜 열화우라늄에 필적할만한 수준으로 끌어올림으로써 현재 세계적인 주목을 받고 있다.

마지막으로, 최근에 막 시작된 날개안정철갑탄 관통자와 관련된 매우 흥미로운 연구 분야는 텅스텐 와이어와 벌크 비정질 금속(bulk metallic glass)을 결합한 복합 구조의 관통자 개발이다. 벌크 비정질 금속은 일반 금속과 달리 입계(grain boundary)가 없고 액체와 같이 비정질 구조를 갖고 있기 때문에 강성율, 내마모, 내식성이 극히 우수한 꿈의 재료로 알려져 있다. 비정질 금속을 얻기 위해서는 액체 상태에서 매우 빠른 속도(105 K/s 이상)로 냉각해야 하기 때문에 아주 얇은 판이나 리본과 같은 형태만을 제조할 수 있었다. 그러나 최근에 미국과 일본의 몇몇 연구자들에 의해 10 K/s 정도의 낮은 냉각속도에서 비정질 금속을 만들 수 있는 기술이 개발되어 벌크화가 가능하게 되었다.

 

이 벌크 비정질 금속은, 그림 9와 10에 나타난 바와 같이, 국부적 변형성이 뛰어나기 때문에 밀도가 높은 텅스텐 와이어와 결합하면 날개안정철갑탄의 관통자로써 우수한 관통 성능을 나타낸다고 알려져 있다. 그러나 텅스텐 와이어와 벌크 비정질 금속이 결합된 복합재료가 날개안정철갑탄의 관통자로써 사용되기 위해서는 몇 가지 넘어야 할 과제를 안고 있다. 그 중 하나는 벌크 비정질 금속을 구성하고 있는 주요 합금 원소인 베릴륨(Be)이 열화우라늄과 같이 인체에 치명적이라는 것이다. 따라서 여러 연구자들은 철이나 니켈을 기저(base)로 하는 벌크 비정질 금속을 개발하는 데 연구를 집중하고 있다.

또 다른 과제는 신뢰성(reliability)이 있는 관통자 제조 공정을 확보하는 것이다. 이밖에, 실험실에서 행한 상기 연구 결과를 날개안정철갑탄의 관통자로 직접 사용하기 위해서는, 좀더 많은 검증 절차와 양산 공정 확립 및 체계 적용성 연구 등과 같은 다각적인 연구가 필요한 실정이다.

 

1. 방사능 폐기물중 중저준위 방사능 폐기물이라고 하는 것은 원전에서 근무하는 사람들이 입은 작업용 옷,공구 등으로 이것들은 대량의 방사능 물질은 없지만 일반 쓰레기와 같이 처리할 경우 방사능 오염의 우려가 있어서 최대한 부피를 줄인다 음 드럼통에 넣고 콘크리트를 가득채워 밀봉해 보관한다.이에 비해 고준위 방사성 폐기물은 사용후 핵연료와 같이 방사능 물질 자체를 말하는 것으로 방사능이 매우 높다.그래서 이런 폐기물들은 별도의 특수 수조를 만들어서 보관하고 있다.원자력과 관련해 푸른 빛이 나오는 수조의 사진을 자주 볼수 있는데 그것은 연구용 원자로 아니면 고준위 방사성 폐기물을 저장하는 수조이다.열화우라늄은 고준위 방사성 폐기물에 속한다.반감기도 45억년이라 한다.물론 천연우라늄보다는 방사능이 약하지만 이것을 수천 수만톤씩 전쟁에 쓴다는 것 자체가 기가 막힐 노릇임은 분명하다. [본문으로]
2. 금속 우라늄은 상당히 반응성이 좋다.순수한 것은 은백색이나 공기중에서 산화되어 곧 회백색 산화물막으로 덮여버린다. 공기중에서 섭씨 150 ~ 175도정도만되면 인화될 수 있다(만약 물이 있다면 반응은 더욱 빨리 진행된다)특히 잘게 부숴진 형태라면 반응은 더욱 빠를 것이다.그래서 가연성, 인화성 금속물질로 규정된다.이런 배경에서 우라늄 관통자가 장갑을 관통하면서 깨지고 부스러진 관통자 파편이 산화되며 반응하게 된다. (종말 탄도학에서 말하는 관통 모델 4가지중 장갑 파괴-관통자 파괴나 장갑비파괴-관통자 파괴꼴이 벌어진다면 당연히도 관통자는 파괴될 수 있다.보통 고속 비행하는 관통자는 장갑에 대해서 장갑 파괴-관통자 파괴가 일어나니..)그 결과 만약 관통자가 장갑으로 감싸여진 목표를 관통했다면 우라늄의 반응으로 인해 마치 철갑소이탄(API)처럼 작용한다.걸프전중 파괴된 이라크군 전차를 본다면 전차내부가 완전히 아궁이속이 되어 있었다.우라늄 연소에 대한 소화는 마른 모래등을 사용해서 해야하고, 미국 기준으로 Class D 소화기나 그 장비들을 사용한다.보관시 물, 산, 알칼리, 염류등과 같이 두면 안된다. [본문으로]

출처 : 명림골

글쓴이 : 원시소년 원글보기

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