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1 Journal of the KIMST, Vol. 18, No. 6, pp , 2015 ISSN DOI Technical Paper 화생방 환경부문 고고도핵폭발전자기펄스피해분석을위한전산모사연구 가동하 *,1) 심우섭 1) 1) 국방과학연구소제 5 기술연구본부 Simulation Study for Electromagnetic Pulse by High-Altitude Nuclear Explosion Dong-Ha Kah *,1) Woosup Shim 1) 1) The 5th Research and Development Institute, Agency for Defense Development, Korea (Received 1 July 2015 / Revised 24 October 2015 / Accepted 27 November 2015) ABSTRACT This paper describes computer simulation program of high-altitude electromagnetic pulse (HEMP). The HEMP is produced by the gamma rays form high-altitude nuclear explosion. The gamma rays generate a current of compton electron that leads to the production of electromagnetic fields. In case of high altitude nuclear burst, the electrical fields at the earth s surface are strong enough to be damaged for electrical and electronic device over a very much larger area. Therefore, national infrastructure will be serious damage such as power grid and communication network. In this paper introduce simulation program for calculation of HEMP and present to simulation study results of high altitude nuclear explosion experiment from U.S. and U.S.S.R. Key Words : EMP( 전자기펄스 ), High-Altitude Nuclear Explosion( 고고도핵폭발 ), HEMP( 고고도전자기펄스 ) 1. 서론 핵폭탄이폭발하면, 핵반응으로즉발감마선이생성된다. 그리고중성자, 2차감마선 ( 지연감마선 ) 등방사성물질들이방출된다. 특히초기핵사건에서발생되는즉발감마선이대기의공기분자와충돌 ( 컴프턴산란 ) 하여대기를이온화시고이때감마선으로부터에너지를전달받은전자 ( 컴프턴전자 ) 로인해전하층이형 * Corresponding author, dhkah@add.re.kr Copyright c The Korea Institute of Military Science and Technology 성된다. 이러한전하층사이에전기장이생성되고전류 ( 컴프턴전류 ) 가흐르면서전자기파 (EMP : Electro- Magnetic Pulse) 가발생한다. EMP의주요원인인즉발감마선은아주짧은시간에최고값을가지는펄스형태의분포로인하여전자기파역시펄스형태로지상에도달하게된다. EMP는발생원인에따라서 3가지종류로구분할수있다. 즉발감마선으로인한 EMP를 E1-EMP, 지연감마선과중성자로인해발생하는 EMP 를 E2-EMP 그리고핵폭발로인하여지구자기장이교란된후안정화되면서발생하는 E3-EMP이다. 그리고핵폭발의고도에따라서지구에전파되는 EMP 영향력 822 / 한국군사과학기술학회지제 18 권제 6 호 (2015 년 12 월 )

2 고고도핵폭발전자기펄스피해분석을위한전산모사연구 이다르다. Table 1은폭발고도에따라서 EMP 세기와전파범위를정리한내용이다 [1]. 고고도에서핵폭발이발생하였을때, 폭발지점의희박한대기밀도때문에감마선의비행거리가길어지므로지구표면아주넓은지역에 EMP 피해를유도하게된다. 컴프턴전자는지구자기장의영향을받아서회전운동을하며, 지구자기장방향과컴프턴전자의운동방향이수직을이룰때발생하는결맞음효과로인하여전자기파의세기가증폭되어보다강력한전자기파가만들어진다. 특히, 고고도폭발일때컴프턴전자의비행거리가길어져서지구자기장의영향을더많이받아강력한 EMP가지구에도달하게된다. 즉, 고고도핵폭발은 EMP가보다넓은지역에, 보다강한세기를전파할수있는조건이된다. 이때 EMP를고고도EMP(HEMP : Highaltitude EMP) 라고한다. 개발한 HEMP 계산프로그램은 30 km 이상의고고도핵폭발시즉발감마선의영향만고려하여계산할수있게제한되어있지만, 핵폭발의고도 (>30 km) 와위력, 지점에따라서지상에도달하는전기장의세기를예측할수있어전력망, 통신망과같은국가기간망의 EMP 피해를대비하는데효과적으로이용할수있을것이다. Table 1. Characterizations of EMP by height of burst 폭발고도 (km) 세기 (kv/m) 지속시간 전파범위 (km) 0 ~ 0.2 ~10 1 μs ~ 0.1 s 3 ~ 5 2 ~ 20 ~0.3 1 ~ 10 ns ~10 40 ~ 1000 ~50 1 ~ 10 ns ~1000, 는시간에따라방출되는감마선에너지의양을나타내는감마선시간과공간의함수로써감마선속을시간과공간변수가분리된형태로기술할수있다. 는컴프턴산란단면적, 는대기밀도이다. 감마선과컴프턴산란을통해생성된전자의밀도변화율은고도 에서의감쇠거리를 라하면식 (2) 와같이표현할수있다. (: 감마선의산란각도 ), (2) cos cos. (3) 이때, 컴프턴전자는광속에가깝게운동하기때문에컴프턴전자의밀도를식 (4) 와같이표현할수있다.. (4) 최종적으로식 (4) 의전류밀도와맥스웰방정식을이용하여관측지점에서의전기장값계산을수행한다 [2]., (5), (6) 2. HEMP 시뮬레이션프로그램 2.1 HEMP 해석 핵폭발로인하여발생하는즉발감마선 ( ) 을 개의에너지 ( ) 스펙트럼구간으로나누었을때, 거리 에서충돌을경험하지않은감마선의선속은식 (1) 과같다 [2].. (1). (7) 2.2 HEMP 시뮬레이션프로그램 HEMP 시뮬레이션프로그램은 EMP의발생원리에따라서개발하였다. 핵폭발로인해발생되는즉발감마선에의해서생성되는컴프턴전자의운동을계산후컴프턴전류를구하고맥스웰방정식으로풀어서전자기파를계산한다. 동시에컴프턴전류의역방향으로전자기파세기에감소영향을미치는 2차전자분포와대기전도도를감안하여최종전자기파계산결과에반영하다. Fig. 1은 HEMP 계산수행을표현한순서도이다. 한국군사과학기술학회지제 18 권제 6 호 (2015 년 12 월 ) / 823

가동하 심우섭 Fig. 1. Flow chart of calculation of HEMP HEMP 계산수행을위하여핵폭발위력과위치, 폭발고도와계산지점에서의지구장기장의크기, 편각과복각정보가초기입력값으로필요하다. 그리고즉발감마선에너지분포는탄두의형태와재질폭발당시의대기환경조건등많은원인에따라서형태를예측하기가매우어렵다. Fig. 2는핵폭발후즉발감마선의에너지방출양상 [3] 으로, 이자료를바탕으로핵폭발에너지의 0.

3 가동하 심우섭 Fig. 1. Flow chart of calculation of HEMP HEMP 계산수행을위하여핵폭발위력과위치, 폭발고도와계산지점에서의지구장기장의크기, 편각과복각정보가초기입력값으로필요하다. 그리고즉발감마선에너지분포는탄두의형태와재질폭발당시의대기환경조건등많은원인에따라서형태를예측하기가매우어렵다. Fig. 2는핵폭발후즉발감마선의에너지방출양상 [3] 으로, 이자료를바탕으로핵폭발에너지의 0.1 % 를즉발감마선의에너지로가정하고즉발감마선의에너지분포는탄두를통과한감마선의에너지와탈출확률을고려하여 2 MeV 중심으로이중지수함수 (double exponential) 형태를가지도록즉발감마선의분포를표현하였다. Fig. 3는시뮬레이션프로그램을이용한계산수행결과로 100 km 고도에서핵폭발시지상의한지점에서시간에따른전기장변화그래프이다. 이결과에서핵폭발 2.5 ns 후약 3.6 kv/m의최고값에도달한다. 시간에따른전기장분포에서최고값을찾아서 HEMP 로인하여지상에도달한전기장 ( 최고값 ) 분포를 Fig. 4을통해서볼수있다. Fig. 3. Electric field distribution for HEMP Fig. 4는총 6000여개의지점에서의계산값으로, 전자기펄스로인해전파된등전기장분포도이다. 가운데지점이폭발지점이고지구자기장 ( 북반구 ) 의영향에따라서전자의운동방향과지구자기장의복각이 90 가이루는남쪽에가장큰값이존재하고, 복각이거의 0 를이루는북쪽에가장작은값이분포하게된다. 또한지구자기장의편각영향으로전기장의최고-최저값의축이오른쪽으로회전이동한것처럼기울어져있음을알수있다. Fig. 2. Energy rate of prompt gamma as function of time [3] Fig. 4. HEMP contours 824 / 한국군사과학기술학회지제 18 권제 6 호 (2015 년 12 월 )

고고도핵폭발전자기펄스피해분석을위한전산모사연구 2.3 비교검증개발한시뮬레이션프로그램은 HEMP 발생원리에따라서컴프턴전류와대기전도도의분포를미국에서개발한 CHAP code [4] 와결과를비교하였다.

서계산을위한입력값을정리하였고, Fig. 5를통하여결과를비교할수있다. Table 2. Input values for calculation of EMP 구분입력값 폭발지점 N38, W98 폭발고도 400 km 폭발위력 3.3 MT Fig. 5. Compton currents and air conductivity distributions by CHAP(a,c) and developed code(b,d) [4] 지구자기장크기 0.

y축이로그함수임을감안했을때값이상이한부분이있지만, 초기감마선의에너지분포가알려지지않은상태이기때문에오차가존재할것으로예측된다. 그러나곡선의형태가유사함을알수있고다른참고문헌의결과를비교하여시뮬레이션프로그램의정확성을검증하였다. 그리고맥스웰방정식을통한전기장분포를비교하여개발한코드를 Fig.

4 고고도핵폭발전자기펄스피해분석을위한전산모사연구 2.3 비교검증개발한시뮬레이션프로그램은 HEMP 발생원리에따라서컴프턴전류와대기전도도의분포를미국에서개발한 CHAP code [4] 와결과를비교하였다. CHAP code 는 1971년고고도핵폭발로인한전자기펄스를계산하기위해개발한코드로미국중심부의고도 400 km에서의핵폭발조건으로폭심에서 777 km 떨어진지점에서지상에서 20.6 km, 35.5 km 높이에서의값을비교하였다. Table 2에서계산을위한입력값을정리하였고, Fig. 5를통하여결과를비교할수있다. Table 2. Input values for calculation of EMP 구분입력값 폭발지점 N38, W98 폭발고도 400 km 폭발위력 3.3 MT Fig. 5. Compton currents and air conductivity distributions by CHAP(a,c) and developed code(b,d) [4] 지구자기장크기 0.56 gauss 지구자기장편각 70 지구자기장복각 0 Fig. 5의 (a) 와 (c) 는참고문헌의결과값으로각각시간에따른컴프턴전류 (transverse방향) 값과대기전도도분포이며 (b) 와 (d) 는개발한코드의계산결과이다. y축이로그함수임을감안했을때값이상이한부분이있지만, 초기감마선의에너지분포가알려지지않은상태이기때문에오차가존재할것으로예측된다. 그러나곡선의형태가유사함을알수있고다른참고문헌의결과를비교하여시뮬레이션프로그램의정확성을검증하였다. 그리고맥스웰방정식을통한전기장분포를비교하여개발한코드를 Fig. 6과같이검증하였다. Fig. 6은앞서비교한핵폭발조건과동일조건으로계산한결과로, 폭발지점에서시간에따른전기장분포도이다. 20 ns 이후부분에서는상이한지점은계산에사용된초기감마선의에너지분포가알려지지않았으며, 컴프턴전자가운동하면서발생하는자기장의영향, 컴프턴전자의산란각을표현하는수식의적용유무와표현식의상이함때문으로생각할수있다. 그러나초기에서 10 ns 까지급격히증가하는전기장값은매우유사한형태를가지고있음을보여준다. Fig. 6. Electric field distributions by CHAP(a) [4] developed code(b) and 한국군사과학기술학회지제 18 권제 6 호 (2015 년 12 월 ) / 825

미리핵사건에따라 EMP 계산을수행한결과를목록화하여위성지도에입력하여각경우에따라서 EMP의피해범위와세기를구체적으로확인할수있다. 3. 고고도핵실험에서의 EMP 계산 고고도핵폭발로인한전자기파를계산하기위한시뮬레이션프로그램과지상에도달한전기장분포를위성지도에표출하는프로그램을이용하여과거미국과소련의대기권핵실험에서 HEMP로인한지상에도달한전기장분포도를만들었다.

5 가동하 심우섭 최종적으로, 폭심에서남-북방향 ( 북반구기준 ) 으로거리에따른전자기펄스의전기장값을기존에발표된문헌자료 [5] 와비교하였다. 핵폭발위력은 1 MT, 폭발고도는 100 km 일때결과를 Fig. 7과같이표현하였다. 비교한문헌에지구자기장정보가표시되지않았기때문에여기서오는오차와코드상의차이를감안해도매우유사한결과를보여주는것으로보아, 개발한 HEMP 시뮬레이션프로그램은합리적이라고판단된다. Fig. 8은한반도, 하와이, 미국중부에서핵사건에따른전자기펄스분포를위성지도위에가시화한모습이다. 미리핵사건에따라 EMP 계산을수행한결과를목록화하여위성지도에입력하여각경우에따라서 EMP의피해범위와세기를구체적으로확인할수있다. 3. 고고도핵실험에서의 EMP 계산 고고도핵폭발로인한전자기파를계산하기위한시뮬레이션프로그램과지상에도달한전기장분포를위성지도에표출하는프로그램을이용하여과거미국과소련의대기권핵실험에서 HEMP로인한지상에도달한전기장분포도를만들었다. 지구자기장정보는미국과소련의해당지역과실험연도에맞추어고려하였으나, 대기환경의차이는고려하지않았고무기정보를알수없어동일한즉발감마선발생함수를사용하여계산을수행하였다. 그리고당시핵실험후피해보고문헌을비교하여 HEMP로인한피해상황을분석하였다. Fig. 7. Peak values of electric field [5] 2.4 HEMP 결과위성지도연동전자기펄스결과를가시화하여핵폭발시전파되는전기장의세기와전파범위를위성지도에서확인할수있는프로그램도함께개발하였다. 핵위력과고도, 폭발지점에따라서다양한핵폭발상황에서 EMP 피해지역을쉽게파악할수있고, 피해지역에존재하는 EMP 취약시설 ( 변전소, 고압선로, 원자력발전소, 통신선로등 ) 에대하여 EMP 방호를위한피해지수산정에사용될수있을것이다. 3.1 미국의핵실험 1962년태평양존스턴섬에서대기권핵실험 (Starfish Prime) 으로인해 1500 km 떨어진하와이호놀룰루에서 30여개로연결된가로등이파괴되었고가정의방범장치들이오작동하는등전기기기교란사건이관측되었다. [6] 이때핵실험정보 ( 폭심 N, W, 폭발고도 400 km, 위력 1.4 MT) 를이용하여개발한 HEMP 시뮬레이션프로그램으로지상에도달한전기장분포를 Fig. 9와같이지도위에표출하였다. Fig. 8. HEMP on satellite image map Fig. 9. EMP distribution by high-altitude nuclear explosion experiment in U.S. 826 / 한국군사과학기술학회지제 18 권제 6 호 (2015 년 12 월 )

6 고고도핵폭발전자기펄스피해분석을위한전산모사연구 이핵실험을통해서가장전기장이큰지역은폭심에서남쪽으로 100 km 떨어진지점으로약 15 kv/m의전기장이도달하였고, 폭심으로부터북쪽으로약 500 km 북쪽으로 1 kv/m의최저값을확인하였다. 태평양상공에서의시험으로주변도시지역은폭심에서 1500 km 떨어진하와이지역으로대부분영역에서 7~10 kv/m 전기장이분포함을알수있었다. 피해를보고했던문헌 [6] 에서는단일전기기기에피해보다는가로등과같이다수가연결된기기에피해상황들이보고되었는데, 지상으로노출된전선을통하여고전압과대전류가기기로유도되어피해를입었을것으로예측된다. 3.2 소련의핵실험 1962년소비에트연방인카자흐스탄상공에서도대기권핵실험이진행되었었다. 당시카자흐스탄의경제상황은평균수준으로, 공업화및전기시설이잘갖추어진곳이었다. 이곳에서 K project 라는이름으로핵실험이있었다. 이때정보를바탕으로지상에도달한전자기펄스에대해서계산하였다. Table 3에서당시고고도핵실험의위력과고도, 실험일자를정리하였고, Fig. 10은 Test No. 187 시뮬레이션결과로전기장분포를지도위에표시하였다. 지상에도달한 HEMP 전기장의세기는 7~20 kv/m로특히소련의탄도미사일방어체계가있었던 Sary Shagan 지역에는 10 kv/m의전기장이도달하였음을알수있었다. 일련의핵실험을통해관련문헌에서는아래와같이주요국가기간망의피해를모사하고있다 [7]. 및전자기기가파괴된지역의전기장값을이용하여피해상황을구체화할수있었다. Table 3. EMP distribution by high-altitude nuclear explosion experiment in U.S. Altitude (km) Yield (kt) Test No. Date No No No No Fig. 10. EMP distribution from Test-187 at U.S.S.R. 4. 결론 발전소 : 불에탐 (burned out) 지하송전선 : fused 지중송전선 : insulators burned out 장거리통신망 : 파괴 (shut down, spark gap devices break down) 전자기기 : 파괴 (destroyed) damaged radio, knocked out radar system 당시고고도핵실험을통하여지상에서의피해가보고되었지만, 구체적인 EMP 수치에대한측정정보는알수없었다. 현재개발한프로그램을통하여당시핵실험정보 ( 고도, 위력, 폭심 ) 를이용하여지역별전파된전기장값과피해상황을유추하여 HEMP 피해를구체화할수있었고, 발전소가있었던지역과통신망 핵폭발로인해발생되는전자기펄스를계산하기위한컴퓨터시뮬레이션프로그램을개발하였다. 핵폭발후발생되는즉발감마선의분포함수를바탕으로컴프턴전자의운동을지구자기장효과와 2차컴프턴전자의운동을고려하고맥스웰방정식으로풀어지상에도달하는전자기파의전기장크기를계산한다. 참고문헌을통하여계산결과를비교검증하였고, 핵사건시전자기펄스에대한취약지역을분석할수있도록계산결과를위성지도와연동하여전파범위와세기를지도위에표출한하였다. 그리고 1970년대미국과소련의대기권핵실험정보를바탕으로계산된전자기파의세기와피해정도를비교하였다. 이당시대부분의전자부품들이진공소자를사용했음에도불구하고도심각한 EMP 피해가보고되었다는것에주 한국군사과학기술학회지제 18 권제 6 호 (2015 년 12 월 ) / 827

7 가동하 심우섭 목할필요가있다 [8]. 현대군무기체계뿐만아니라, 주요국가기간시설에는진공관보다더전자기파에민감한전자기기들을사용하고있는상황에서전자기펄스의피해는더욱심각할것으로예측된다. References [1] E. Savage, J. Gilbert, W. Radasky, The Early-Time (E1) High-Altitude Electromagnetic Pulse(HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid(Meta-R-320), ORNL, USA, Section 2, [2] Longmire, C. L., On the Electromagnetic Pulse Produced by Nuclear Explosion, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 26, pp. 3-13, [3] S. Glasstone, P. J. Dolan, The effect of Nuclear Weapons, United State Deportment of Defense & Energy Research and Development Administration, p. 328, , [4]C. L. Longmire, R. M. Hamilton, J. M. Hahn, A Nominal Set of high-altitude EMP Environments, ORNL, USA, pp , [5] C. Meng, Numerical Simulation of the HEMP Environment, IEEE Transactions of Electromagnetic Compatibility, Vol. 55, No. 3, pp , [6] C. N. Vittitoe, Did High-Altitude EMP Cause the Hawaiian Streetlight Incident?, Sandia National Laboratories, Note 31, pp. 3-6, 1989 [7] R. Pfeffe and D. L. Shaeffer, A Russian Assessment of Several U.S.S.R. and U.S. HEMP Tests. Combating WMD Journal. U.S. Army Nuclear and CWMD Agency. Issue 3. January, pp , [8] William J. Broad, Nuclear Pulse(II): Ensuring Delivery of the Doomsday Signal, Science, Vol. 212, No. 5, pp , / 한국군사과학기술학회지제 18 권제 6 호 (2015 년 12 월 )

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Nov.; 26(11),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 Nov.; 26(11), 985991. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2015.26.11.985 ISSN 1226-3133 (Print)ISSN 2288-226X (Online) Analysis