질산 암모늄

질산 암모늄은 질소 비료로서 현대 농업의 핵심적인 역할을 한다. 식물이 흡수하기 쉬운 암모늄 이온(NH₄⁺)과 질산 이온(NO₃⁻)을 동시에 제공하는 완전 질소 비료로, 한 분자에 두 형태의 질소를 모두 포함하고 있어 매우 효율적이다. 이 특성 덕분에 농업 혁명을 이끈 중요한 물질 중 하나로 평가받으며, 세계적으로 막대한 양이 생산 및 소비된다.

주요 용도는 비료이며, 화학 비료 시장에서 큰 비중을 차지한다. 높은 수용성과 빠른 효과로 인해 곡물, 과수, 채소 등 다양한 작물의 재배에 널리 사용된다. 그러나 흡습성이 강해 공기 중의 수분을 흡수하여 덩어리가 되기 쉬운 단점이 있어, 저장과 운반 시 주의가 필요하다.

악용을 방지하기 위해 최근에는 질산 암모늄 단독으로 판매하기보다는 질산 칼슘이나 탄산 칼슘 등 다른 물질과 혼합하거나 코팅 처리하여 서서히 용해되도록 만든 서방성 비료 형태로 제조되는 경우가 많다. 이는 비료 폭탄으로의 전용을 어렵게 하기 위한 조치이기도 하다. 그럼에도 불구하고 여전히 세계에서 가장 중요한 질소 비료 원료 중 하나이다.

질산 암모늄은 비료로서의 용도 외에도 폭발물의 원료로 널리 사용된다. 그 자체는 산화제 역할을 하며, 연료와 혼합될 때 폭발성을 나타낸다. 순수한 질산 암모늄은 폭속이 느리고 기폭이 어려워 둔감 폭약으로 분류되지만, 적절한 연료와 혼합하면 강력한 산업용 폭약이 된다.

가장 대표적인 혼합물은 안포(ANFO)이다. 이는 다공성 질산 암모늄 구슬에 약 6%의 등유나 경유를 흡수시켜 만든다. 값이 싸고 취급이 비교적 안전하며 위력이 우수해 채석장, 광산, 토목 공사 등에서 대량으로 사용된다. 북아메리카에서 소비되는 산업용 폭발물의 약 80%를 차지할 정도로 보편화되었다.

보다 고성능의 폭발물을 원할 경우 다른 연료를 사용하기도 한다. 나이트로메테인을 혼합한 ANNM, 여기에 알루미늄 가루를 추가한 ANNMAL이 있다. 또한 하이드라진을 연료로 사용한 애스트로라이트는 TNT의 약 2배에 달하는 매우 높은 폭속을 가진 것으로 알려졌다. 이러한 고에너지 연료들은 그 자체로도 폭발성이 있지만, 질산 암모늄과 혼합함으로써 기폭 감도를 높이고 대량의 폭발물을 안정적으로 제조할 수 있다.

군사적으로는 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 당시 TNT가 부족했을 때 그 대체재로 많이 활용되었다. 아마톨(Amatol)은 TNT와 질산 암모늄을 혼합한 작약으로, 포탄이나 폭뢰의 충진제로 사용되었다. 또한 그 강력한 파괴력과 둔감성 덕분에 지뢰 제거나 장애물 설치 목적으로 도로나 활주로를 파괴하는 데에도 효과적으로 쓰인다.

질산 암모늄은 물에 용해될 때 강한 흡열 반응을 일으키는 성질을 이용하여 냉각제로 사용된다. 이 과정에서 주변으로부터 열을 흡수하여 온도를 빠르게 낮출 수 있어, 일회용 냉각팩이나 아이스팩의 주요 성분으로 활용된다. 특히 미국에서는 질산 암모늄 또는 질산 칼슘 암모늄을 이용한 상업용 냉각팩을 쉽게 구할 수 있다.

그러나 안전성 측면에서 볼 때, 질산 암모늄은 위험물안전관리법에 따라 제1류 위험물로 분류되어 있어 취급에 주의가 필요하다. 이에 따라 냉각 목적으로는 보다 안전한 요소 등을 사용하는 경우가 많다. 드라마 브레이킹 배드에서는 이 냉각팩 속의 질산 암모늄이 극중 폭탄 제조에 사용되는 장면이 등장하기도 했다.

ANFO는 질산 암모늄과 연료유를 혼합하여 만드는 산업용 폭발물이다. ANFO는 'Ammonium Nitrate Fuel Oil'의 약자로, 다공성 구슬 형태의 질산 암모늄 약 94%에 중유나 디젤 같은 연료유 약 6%를 비율로 섞어 제조한다. 순수한 질산 암모늄의 폭발 위력계수는 0.42 정도이지만, 연료유와 혼합된 ANFO는 약 0.8까지 상승하여 훨씬 강력한 폭발력을 발휘한다. 이는 연료유가 연소하면서 질산 암모늄의 연쇄 분해 반응을 효율적으로 촉진하기 때문이다.

ANFO는 값이 싸고 제조가 간단하며, 상대적으로 안정적이고 취급이 용이한 장점이 있다. 또한 폭발 시 생성되는 가스량이 많아 파쇄력과 밀어내는 힘이 뛰어나다. 이러한 특성으로 인해 채석장, 광산, 토목 공사 등 대규모 암반 제거 작업에 널리 사용된다. 북아메리카에서 소비되는 산업용 폭발물의 약 80%가 ANFO로 추정될 정도로 그 사용량은 매우 많다.

ANFO는 매우 둔감한 물질로, 뇌관만으로는 기폭시키기 어렵다. 일반적으로 PETN이나 RDX 같은 고성능 폭약으로 만들어진 전폭제를 사용하여 확실하게 폭발시킨다. 이로 인해 우발적인 폭발 위험은 낮은 편이지만, 한번 대량으로 폭발할 경우 그 위력은 막대하다. 이러한 특성과 널리 유통되는 비료 원료를 사용한다는 점 때문에, 과거 IRA를 비롯한 일부 테러 조직에 의해 '비료 폭탄'으로 악용되기도 했다.

ANFO의 변형으로는 연료유 대신 나이트로메테인을 사용한 ANNM, 여기에 알루미늄 가루를 추가해 위력을 증대시킨 ANNMAL 등이 있다. 이들은 각기 다른 폭속과 위력을 가지며, 특수한 목적에 따라 사용된다.

ANNM은 질산 암모늄과 나이트로메테인을 혼합하여 만든 폭발물이다. ANFO가 중유를 연료로 사용하는 것과 달리, ANNM은 그 자체가 고폭약인 나이트로메테인을 연료로 사용한다. 일반적인 혼합 비율은 질산 암모늄 60%에 나이트로메테인 40%이다. 이 조성은 ANFO보다 더 높은 폭속을 가지며, 약 6125m/s에 달한다.

ANNMAL은 ANNM에 알루미늄 가루를 추가로 혼합한 변형 폭발물이다. 일반적인 혼합 비율은 질산 암모늄 약 70%, 나이트로메테인 약 23%, 알루미늄 가루 약 7%이다. 알루미늄 가루가 추가되면 폭발 시 고열을 방출하여 폭풍압을 증가시키기 때문에, 폭속은 ANNM보다 약간 낮은 5360m/s 정도이지만 전체적인 폭발 위력은 더 커진다.

이러한 폭발물들은 ANFO와 마찬가지로 채석장이나 광산 등에서 산업용으로 사용될 수 있지만, 그 구성 물질인 나이트로메테인이 비교적 구하기 쉬운 유기 화합물이기 때문에 IED(Improvised Explosive Device) 제작에 악용될 위험성도 가지고 있다.

애스트로라이트는 질산 암모늄과 하이드라진을 혼합하여 만드는 고성능 폭발물이다. 이 혼합물은 1960년대에 개발되어 한때 핵무기를 제외한 세계에서 가장 강력한 재래식 폭약으로 불리기도 했다. 주로 군사용으로 연구되었으나, 구성 성분인 하이드라진의 높은 독성과 취급 위험성으로 인해 민간 분야에서는 널리 사용되지 않았다.

가장 대표적인 종류로는 애스트로라이트 G와 애스트로라이트 A가 있다. 애스트로라이트 G는 질산 암모늄과 하이드라진을 약 2:1의 비율로 혼합한 이성분계 폭약이다. 여기에 알루미늄 가루를 추가로 첨가한 것이 애스트로라이트 A로, 폭발 시 알루미늄이 추가적으로 산화되면서 더 큰 폭발 에너지와 고온을 발생시킨다. 이들의 폭속은 최대 약 9,000 m/s에 달하며, 이는 TNT의 위력 대비 약 2배에 해당하는 매우 높은 수치이다.

애스트로라이트의 높은 성능은 하이드라진이 산화제 역할을 하는 질산 암모늄과 강력한 연료 역할을 동시에 하기 때문에 가능하다. 그러나 하이드라진은 그 자체로도 발화 및 폭발 위험이 크고, 인체에 대한 독성이 매우 강한 물질이다. 이러한 위험성과 함께 제조 및 저장의 어려움 때문에 ANFO나 ANNM과 같은 다른 질산 암모늄 기반 폭발물에 비해 실용적인 사용은 제한적이었다.