[논문]북한 4·5차 핵실험의 기술적 평가

이호찬; 이상규; 정관

doi:10.9766/kimst.2017.20.3.454

[국내논문] 북한 4·5차 핵실험의 기술적 평가
Technical Assessment of North Korea 4th and 5th Nuclear Test 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.20 no.3, 2017년, pp.454 - 466

이호찬 (육군사관학교 물리화학과) , 이상규 (육군사관학교 물리화학과) , 정관 (육군사관학교 물리화학과)

Abstract ▼ AI-Helper

North Korea intended to increase the power of its nuclear weapons and standardize warhead to be loaded in ballistic missiles through the $4^{th}$ and $5^{th}$ nuclear tests. In this study, three kinds of nuclear weapons that North Korea might have used in the $4^{th}$ and $5^{th}$ nuclear tests to achieve their technical goals were suggested. Monte Carlo modeling and various technical assessments have shown that boosted fission weapons are most likely to be used. Also, using the empirical formula considering the burial depth of explosion, we found that the yield of the $4^{th}$ and $5^{th}$ nuclear tests is at least twice as strong as that is expected it could be and the initial design power could reach 8kt before amplification. This means that North Korea has already achieved a substantial level of nuclear fusion technology through the $4^{th}$ test and has made a breakthrough in the miniaturization of nuclear weapons through the $5^{th}$ test. After two or three additional tests, North Korea is expected to have nuclear missiles equipped with nuclear warhead by 2020, which is expected to complete ballistic missile development.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국제사회의 강도 높은 비난과 제재 속에서도 북한이 핵무기개발을 포기하지 못하는 데는 여러 가지 정치적, 군사적 이유가 있겠지만 본 연구에서는 그들의 기술적 목표에 집중하고자 한다. 핵실험과 더불어 북한은 핵무기의 주요 투발수단인 탄도미사일 기술 확보와 전력화를 위해 끊임없이 미사일 발사 시험을 해왔다.
먼저 핵연료 재처리에 의한 Pu-239나 우라늄 농축프로그램(UEP)에 의한 U-235를 이용한 핵분열무기 실험의 가능성을 살펴보자. 과거 1~2차 핵실험을 통해 북한은 재래식 핵무기의 탄두를 개량해 나가고 있다는 평가를 받았다.
본 연구에서는 북한 핵개발의 기술적 목표에 대해 간략히 언급하고, 실험식과 몬테칼로 모델링을 이용하여 지난 4, 5차 북한 핵실험의 위력을 분석한 후 가능성 있는 핵무기의 종류를 제시할 것이다. 또한 폭발 깊이를 고려한 핵무기 위력 산출 실험식을 이용하여 북한의 4, 5차 핵실험의 설계위력에 대한 기술적 분석을 실시하고 두 차례의 핵실험이 가지는 의미에 대해서 논의할 것이다.
순수 핵분열무기를 사용했을 경우를 좀 더 살펴보자. 2차 핵실험의 설계위력 4 kt를 위해 사용되었을 것으로 추측되는 Pu-239의 양은 대략 2 kg이다^[14].
이번에는 5차 핵실험의 위력에 대해 살펴보자. Table 8에서 확인할 수 있듯이 Zhang, 2013의 식으로 계산한 5차 핵실험의 위력은 27.

가설 설정

2.2 북한은 수소폭탄을 개발했을까?
북한이 7년 전 2차 핵실험 당시 터뜨린 약 2 kt의 Pu-239 핵분열무기(Pu-239 2 kg 이 약 5 %의 효율로 폭발)는 재래식 핵무기의 기폭효율보다는 낮지만 1차에 비해서는 비교적 성공적이었다고 평가받고 있는데^[14], 이것을 소형 열핵무기의 1단계 탄으로 이용했다고 가정해보자. 또한 2단계 탄에서 융합반응을 일으킨 중수소(D)-삼중수소(T)가 1 kg 정도의 적은 양이라고 가정한다면 이 수소폭탄의 설계위력은 80 kt급의 핵무기였다고 할 수 있다⁴⁾.

제안 방법

결국 실험장의 깊이 즉 폭발위치를 정확하게 측정하는 것이 중요한데, 본 연구에서는 포괄적 핵실험 금지기구(CTBTO)와 미국 지질조사국(USGS)등의 자료를 토대로 4, 5차 핵실험의 위치를 Google map에 표시하고, 북한이 수평갱도를 이용하여 핵실험장을 구축했다는 점에 착안하여 깊이를 예측하였다.
본 연구에서는 북한 핵개발의 기술적 목표에 대해 간략히 언급하고, 실험식과 몬테칼로 모델링을 이용하여 지난 4, 5차 북한 핵실험의 위력을 분석한 후 가능성 있는 핵무기의 종류를 제시할 것이다. 또한 폭발 깊이를 고려한 핵무기 위력 산출 실험식을 이용하여 북한의 4, 5차 핵실험의 설계위력에 대한 기술적 분석을 실시하고 두 차례의 핵실험이 가지는 의미에 대해서 논의할 것이다. 마지막으로, 북한 핵기술의 현주소를 재조명하고 향후 북한 핵 실험의 가능성을 예측해 봄으로써 북핵문제 해결의 과학적 근거를 제시할 예정이다.
북한은 2006년 10월 9일 1차 핵실험을 시작으로 2016년 1월까지 매 3~4년 간격으로 4차에 걸쳐 핵실험을 실시하여 왔다. 이후 그동안 지켜왔던 3, 4년의 주기를 앞당겨 2016년 1월 6일 4차 핵실험 후 8개월만인 지난 2016년 9월 9일에 5차 핵실험을 실시하였다. 4차 핵실험 직후 북한은 조선중앙 TV를 통해 “수소탄 시험 완전성공”을 대외적으로 발표하면서 북한의 순수 기술을 통해 수소탄 개발에 성공했다고 주장했다.

성능/효과

따라서 2차 핵실험 이후 7년이 지난 5차 핵실험 시 북한은 최소 중간~높음 사이의 기술수준을 가지고 있고, 순수 핵분열무기를 사용했다고 가정한다면 7.27~13.59 kt의 위력 달성을 위해 2~3 kg, 27.0 ± 3.2 kt의 위력을 달성하기 위해서 3.5~4 kg의 Pu-239를 사용했을 것이라는 판단이 가능하다.
이론적으로 0.5 mole의 T(1.5 g)와 D(1.0 g)가 융합할 때 발생하는 중성자의 수는 약 3.00 × 1023개인데 U-235 1 kg 안에든 U-235원자의 개수가 약 2.60 × 1024개인 것을 고려한다면 이상적으로는 약 120 g의 U-235를 분열시킬 수 있다.
Table 7은 핵융합에너지의 기여도에 따른 중성자 선량 기여도를 보여준다. 표에서 보는 바와 같이 5 %의 에너지 기여도만 있어도 약 30 %의 중성자 증대효과를 보였다.
핵실험장 일대가 한반도에 흔한 지하 화강암 지역인 것을 감안하고 북한이 지하 핵실험을 실시한 깊이를 앞서 추정한 600~700 m로 본다면, 100 kt의 위력에도 안전할 수 있다는 점을 확인할 수 있다. 결국 4차 핵실험이 실시된 핵실험장에서 최초 설계위력 8 kt, 최대 80 kt의 핵실험도 전혀 불가능한 것이 아니다.

후속연구

그리고 이 갱도들이 기존의 수평식 갱도의 구조를 가지면서 좀 더 아래로 파고드는 형태가 된다면, 북한은 4차, 5차 때보다 더 깊은 안전심도를 확보할 수 있게 되고, 이는 더 큰 위력을 가지면서도 소형화·경량화된 ‘증폭핵분열무기’ 실험이 될 것이라고 판단할 수 있다.
남쪽 3번 갱구는 이미 2번 갱구에서 실험을 시작할 당시 예비로 만들어 놓은 것인데, 아직 2번 갱구에 몇 개의 가지갱도가 더 남아 있는지는 확인되지 않지만 이미 다 사용했다고 가정한다면, 지난해 말에 존재가 관측된 서쪽 4번 갱구가 완성되는 순간 3번 갱구내의 갱도에서 핵실험이 이루어질 것이라고 예측된다. Fig.
4차 핵실험을 통해 핵분열을 증폭할 수 있는 기술을 확보하였고 이를 통해 핵무기의 최종 단계인 핵융합무기, 일명 수소폭탄을 만들 수 있는 발판을 마련하였을 것이라고 짐작된다. 또한 5차 핵실험을 통해 소형화된 핵무기의 전력화를 위한 시험을 실시하여 핵무기의 투발수단인 미사일 개발과 함께, 핵무기를 전략적으로 이용할 수 있는 초석을 마련했을 것이라고 판단된다.
또한 폭발 깊이를 고려한 핵무기 위력 산출 실험식을 이용하여 북한의 4, 5차 핵실험의 설계위력에 대한 기술적 분석을 실시하고 두 차례의 핵실험이 가지는 의미에 대해서 논의할 것이다. 마지막으로, 북한 핵기술의 현주소를 재조명하고 향후 북한 핵 실험의 가능성을 예측해 봄으로써 북핵문제 해결의 과학적 근거를 제시할 예정이다.
특히 북한은 핵무기의 전략적 투발수단인 무수단 미사일, SLBM(Submarine-Launched Ballistic Missile)을 잇따라 시험 발사하여 기술적인 완성도를 높여가고 있다. 이에 4, 5차 핵실험에 사용된 핵무기의 종류를 정확히 판단함과 동시에 핵실험의 기술적인 의미를 면밀하게 분석하여, 향후 북한의 핵위협에 대한 대응전략을 수립하는 과학적 근거마련이 필요하다.
6 kt의 위력을 가진 핵실험으로 결론지었다. 이와 같이 핵실험장의 지하 깊이에 따라 핵무기 위력은 다르게 추정될 수 있으며, 북한 핵실험장의 위치와 지하 깊이에 대한 정보를 알 수 있다면 북한 핵실험의 실제 위력을 좀 더 정확하게 판단할 수 있을 것이다.
핵실험에 사용된 핵무기의 위력은 측정된 지진파의 규모를 이용하여 간접적으로 추정할 수 있는데, Table 1은 측정된 지진파의 규모 M_b¹⁾와 핵무기의 위력 Y 사이의 관계를 나타내는 다양한 지진규모-폭발력 실험식이다. 한국 지형과 다른 암석지역으로부터 구한 실험식이라 정확도는 떨어지겠지만, 북한 핵실험에 사용된 핵무기의 위력을 판단하는데 활용할 수 있을 것이다.
현재의 북한의 핵무기 개발속도에 비춰본다면 위와 같은 형태의 2~3차례의 추가적인 핵실험을 통해 완전한 핵기술을 습득함과 동시에, 늦어도 궤도 재진입 기술의 확보를 통한 ICBM 전력화[21] 및 SLBM의 전력화[7] 시기인 2020년 이내에 북한은 고위력·소형화된 핵탄두 개발을 완료할 수 있는 기술적 발판을 마련할 것이라는 예측이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핵무기 종류를 판단 할 때 가장 기초적인 자료는 무엇인가?	핵무기 종류를 판단할 때 가장 기초적인 자료는 핵무기의 위력이다. 수소폭탄이라면 핵무기 위력이 최소 100 kt 이상이 되어야 한다.
	북한의 핵실험의 목표는 무엇이라고 추정되는가?	북한이 계속된 시험발사를 통해 전력화를 시도하고 있는 무수단 미사일을 비롯하여 다양한 중장거리 탄도미사일의 제원을 살펴보면 북한 핵실험의 기술적 목표를 어느 정도 추정할 수 있다. Table 3[8]에서 북한이 보유하고 있거나 전력화를 추진하고 있는 미사일들이 실을 수 있는 탄두의 중량이 1,000 kg 이하인 점과 2016년 8월 시험발사에 성공한 SLBM의 경우에도 탄두 중량이 650 kg 정도라는 점에 주목하면, 북한의 핵실험은 자신들이 가지고 있는 투발수단의 역량에 맞게 핵무기를 탄두(warhead)의 형태로 소형화, 경량화 하는데 그 목표가 있다고 추정 할 수 있다[9].
	지진규모폭발력 실험식을 통해 북한의 핵실험 위력을 산출해보았을 때 예측 폭발력의 차이가 매우 큰 이유는 무엇인가?	3 Mb로 관측되었는데 이를 Table 1의 지진규모폭발력 실험식을 통해 산출하면 최소 3 kt에서 최대 50 kt까지 차이가 매우 커진다. 이는 과거 한반도에서 핵실험이 이루어진 전례가 없어 인공 지진의 규모와 폭발력 사이의 실험식이 한국 지형에 맞게 정립된 바가 없어서 생기는 혼란이다. 이에 한국지질자원연구원(KIGAM)에서는 1차 핵실험 이후 지진파의 규모를 직접 관측하고, CTBTO의 IMS 관계식을 기초로 한반도지형특성에 맞게 고위력 핵실험의 위력을 추정하는 관계식을 발표하였는데2) KIGAM이 발표한 핵실험의 지진파 규모와 핵무기 추정 위력은 각각 4.

참고문헌 (22)

J. Murphy, "P-wave Coupling of Underground Explosions in Various Geologic Media," in E. S. Husebye and S. Mykkeltveit(eds.), Identification of Seismic Sources-Earthquake or Explosion, pp. 201-205, 1981.
Ringdal et al., "Seismic Yield Determination of Soviet Underground Nuclear Explosions at the Shagan River Test Site," Geophys. J. Int., Vol. 109, pp. 65-77, 1992.

상세보기
Murphy et al., "Application of Network - Averaged Teleseismic P-wave Spectra to Seismic Yield Estimation of Underground Nuclear Explosions," Pure Appl. Geophys., Vol. 158, pp. 2123-2171, 2001.

상세보기
Murphy et al., "Exploitation of the IMS and Other Data for a Comprehensive, Advance Analysis of the North Korean Nuclear Tests," Monitoring Research Review, Ground-Based Nuclear Explosion Monitoring Technologies, 2010.
Ni et al., "Rapid Source Estimation from Global Calibrated Paths," Seismol. Res. Lett. 81, pp. 498-504, 2010.

상세보기
Rougier et al., "Constraints on Burial Depth and Yield of the 25 May 2009 North Korean Test from Hydrodynamic Simulations in a Granite Medium," Geophysical Research Letters, Vol. 38, L16316, 2011.

상세보기
John Schilling, A New Submarine-Launched Ballistic Missile for North Korea, U.S.-Korea Institute at the Paul H. Nitze School of Advanced International Studies(SAIS), Johns Hopkins University, http://38north.org/, 2016.
North Korean Ballistic Missile Models. Retrieved April 16, 2017, from http://www.nti.org/analysis/articles/north-korean-ballistic-missile-models/
Mary Beth Nikitin, "North Korea's Nuclear Weapons: Technical Issues," CRS Report for Contress, Contressional Research Service, 2013.
Tal Inbar, "Credible Threat? DPRK(North Korea) Missile Program Technical Analysis and Global Implications," Addressing The North Korean Ballistic Missile Threat To The United States(Presentation at the MDAA Congressional Roundtable Discussion), Washington, D.C., April, 2016.
Zhang Hui, "Revisiting North Korea's Nuclear Test," China Security, Vol. 3, No. 3, pp. 119-130, 2007.
Mary Beth D. Nikitin, "North Korea's January 6, 2016, Nuclear Test," CRS Insight, 2016. 1. 7.
"United States Nuclear Tests July 1945 through September 1992," U.S. Department of Energy Nevada Operations Office, DOE/NV-209-REV 15 December 2000.
Joo Hyun Moon, "Assessment of North Korea's Nuclear Capability through Nuclear Tests' Yields," The Korean Journal of Unification Affairs, Vol. 53, 2010.
Zhang et al., "High-precision location and yield of North Korea's 2013 Nuclear Test," Geophysics Research Letters, Vol. 40, 2941-2946, 2013.

상세보기
Chun et al., "Magnitude Estimation and Source DiscriminationL A Close Look at the 2006 and 2009 North Korean Underground Nuclear Explosions," Seismological Society of America, Vol. 101, pp. 1315-1329, 2011.

상세보기
Gibbons et al., "Accurate Relative Location Estimaties for the North Korean Nuclear Tests using Empirical Slowness Corrections," Geophys. J. Int., Vol. 208, pp. 101-117, 2017.

상세보기
Sangmin Lee, "The Technological Assessment of the Fourth North Korean Nuclear Test and the Prospect of Future Tests," Korea Defense Issue and Analysis, Vol. 1606(16-7), 2016. 2. 15.
Choon Geun Lee, "Scientific Understanding of the Under Ground Nuclear Test," Science and Technology Policy Institute, 2007.
Thomas B. Cochran, Christopher E. Paine, "The amount of Plutonium and Highly-Enriched Uranium Needed for Pure Fission Nuclear Weapons," Natural Resources Defense Council Report, 1994.
John Schilling, North Korea's Large Rocket Engine Test: A Significant Step Forward for Pyongyang's ICBM Program, U.S.-Korea Institute at the Paul H. Nitze School of Advanced International Studies (SAIS), Johns Hopkins University, http://38north.org/, 2016.
David Albright, "Future Direction in the DPRK's nuclear Weapons Program: Three Scenarios for 2020," US-Korea Institute at SAIS, p. 24, 2015.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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