원자핵분열의 연쇄반응에 의해 발생하는 에너지를 사용하는 원자폭탄(atomic bomb)은 핵폭탄 또는 분열폭탄이라고 한다. 폭약으로는 우라늄(uranium)이나 플루토늄(plutonium)을 사용한다. 천연 우라늄 광석은 대부분 238U의 상태로 존재하고 분열하지 않으며, 이를 추출하고 농축한 235U를 핵무기의 에너지원으로 삼는다. 플루토늄은 원자로 속의 반응을 끝낸 폐기물 중에서 화학적인 방법으로 239Pu를 정제 추출한다. 소량의 235U은 핵분열이 일어나지 않고 분열 가능한 임계질량을 넘을 때 분열을 일으키며, 최초의 자발적인 분열에 의해 방출된 중성자는 다른 한 두 개를 분열시키고, 점차 분열핵의 수가 기하급수적으로 증가하는 연쇄반응(self-sustaining chain reaction)이 나타난다. 분열로 인한 원자가 쪼개지며 질량손실이 일어나는 것으로 아인슈타인의 E=mc2을 통해 질량손실이 에너지로 바뀌는 것을 설명할 수 있다. 이 연쇄반응은 엄청난 폭발력을 가진다.
1945년 히로시마에 떨어진 핵은 임계질량보다 적은 두 235U 덩어리를 폭탄 내에서 분류해 놓았다가 앞부분의 235U(일명 bullet)을 화약의 폭발로 뒤편의 235U(일명 target)과 합쳐서 임계질량을 넘어서게 만들어 연쇄핵반응을 유도한 폭탄으로 Gun-type Nuclear weapon이라 불린다.

TNT(Trinitrotoluene)로 비교해서 말하면, TNT 1만 톤을 20톤 화물차로 운송할 때 화물차 5백대가 필요하며, 이 화물차를 길게 연결하면 10km까지 이어진다. 히로시마에 떨어진 Little boy는 TNT 2만 톤에 해당하는 위력을 지닌 폭탄이었다.

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