북한이 평안북도 영변의 모든 핵시설을 재가동하겠다고 선언한 후 핵시설 관련 용어들이 새삼 관심사가 되고 있다.
북한은 지난 2일 “경제건설과 핵무력건설의 병진노선에 따라 우라늄농축공장을 비롯한 영변의 모든 핵시설들과 함께 2007년 10월 6자회담 합의에 따라 가동을 중지하고 무력화했던 5MW 흑연감속로를 재정비, 재가동한다”고 발표했다.
북한의 발표를 중심으로 일반인들이 궁금해할 용어들을 문답식으로 정리했다.
– 원자로란 무엇인가.
▲ 핵분열 또는 핵융합과 같은 핵반응을 일으키는 ‘로(盧·Reactor)’를 말한다. 원자로에서 이뤄지는 핵반응으로 발생한 열을 전력 생산에 이용하는 곳이 원자력 발전소다. 핵반응에 대한 연구와 실험을 위해 연구용 원자로를 가동하기도 한다.
– 원자력 발전의 원리는.
▲ 물을 끓여 발생한 수증기로 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 점에서는 화력발전과 같지만 물을 끓이는 방법이 다르다. 화력발전은 화석연료를 태워 물을 끓이지만, 원자력발전은 핵반응에서 발생한 열을 이용해 물을 끓인다. 현재 전 세계에 있는 모든 원자력 발전소는 핵분열 반응을 이용해 전기를 생산하고 있다.
– 우리나라의 원자로 현황은.
▲ 지난해 말 현재 4곳의 원자력 발전소에서 총 23기의 원자로를 운영하고 있다. 또 대전의 한국원자력연구원에서는 연구용 원자로 ‘하나로’를 가동하고 있다.
– 북한의 원자로 현황은.
▲ 정상적으로 가동하는 원자로가 없다. 1960년대 중반 옛 소련이 지원한 연구용 원자로(IRT-2000)가 있지만, 가동을 시작한 지 50년 가까이 됐기 때문에 제 역할을 하지 못한다.
북한이 재가동을 선언한 영변 5㎿ 원자로는 지난 2007년 6자회담의 ’10·3합의’에 따라 폐쇄·봉인된 뒤 이듬해 6월 냉각탑까지 폭파했기 때문에 재가동하기까지는 시간이 걸릴 것으로 보인다.
북한은 이외에 50㎿ 원자로와 200㎿ 원자로의 건설을 중단한 상태다. 한반도에너지개발기구(KEDO)가 북한 함경남도 신포 지역에 짓던 1천㎿급 한국형 경수로 2기 역시 지난 2006년 6월 사업이 공식 종료됐다. 당시 공정률이 약 34%였다.
– 원자로의 주요 구성은.
▲ 원자로에서 가장 중요한 것은 핵연료다. 핵연료는 우라늄(U)-235 등이 포함된 세라믹 형태의 원통형 고체로 지름이 0.7∼0.8㎝, 높이가 1∼1.5㎝이다. 이 핵연료들을 얇고 긴 알루미늄 봉 안에 채우고, 봉들을 다발로 묶어서 원자로에 넣는다. 그래서 핵연료봉이라고 부른다.
이밖에 중성자가 U-235와 잘 반응할 수 있도록 중성자의 에너지를 조절하는 감속재, 핵연료에서 발생한 열을 운반하는 냉각재, 핵분열 반응을 조절하는 제어봉 등이 원자로를 구성한다.
– 핵분열 반응이란.
▲ 무거운 원소 중에서 U-235, 플루토늄(Pu)-239 등과 같은 특정 원소가 일정한 에너지를 가진 중성자를 흡수한 뒤 2개의 서로 다른 원소로 쪼개지면서 2∼3개의 중성자와 열을 방출하는 현상이다. 이렇게 만들어진 중성자는 아직 반응하지 않은 원소와 반응할 수 있기 때문에 연쇄 반응이 가능하다.
– 북한의 흑연감속로도 원자로인가.
▲ 원자력 발전을 위해 가장 많이 이용하는 원자로는 경수로(Light Water Reactor)다. 물을 감속재와 냉각재로 이용하기 때문에 경수로라고 부른다. 물 중에서 중수소와 삼중수소로만 이뤄진 ‘무거운 물’을 추출해 감속재와 냉각재로 이용하는 중수로(Heavy Water Reactor)도 있다.
북한 영변에 있는 5㎿ 원자로는 흑연을 감속재로 사용하기 때문에 흑연감속로라고 부른다. 이 원자로는 냉각재로 이산화탄소 기체를 냉각재로 사용한다.
– 사용후 연료봉 또는 폐연료봉은 무엇인가.
▲ 원자로에서 핵분열 반응이 끝난 핵연료봉이다. 사용후 연료봉(폐연료봉) 안에는 U-235 분열로 생겨난 각종 방사성 물질뿐 아니라 핵연료에 포함돼 있던 U-238이 중성자를 흡수해 만들어진 Pu-239, 인체와 환경에 해로운 가스 등이 차 있다.
– 사용후 연료봉을 재처리해 플루토늄을 추출한다는 건가.
▲ 그렇다. Pu-239는 자연상태에 존재하지 않는 원소로, 일반적으로 원자로 가동을 통해서 만들어진다. 사용후 연료봉을 화학적으로 처리해 중성자와 반응하지 않은 U-235 등과 같이 필요한 성분을 추출하는 과정인 ‘재처리’를 통해 Pu-239를 얻을 수 있다.
– 북한이 재가동을 선언한 흑연감속로에서만 Pu-239가 생기나.
▲ 아니다. Pu-239는 경수로와 중수로, 흑연감속로 모두에서 핵분열 반응 이후 생성된다. 그러나 경수로에서 만들어진 Pu-239는 순도가 낮아 핵무기에 사용하기에는 적합하지 않다. 우리나라에서 가동 중인 4기의 중수로나 북한의 5㎿ 흑연감속로에서 만들어진 Pu-239는 순도가 높아 핵무기에 사용하기 적합하다.
– 플루토늄 핵무기란.
▲ Pu-239를 이용해 핵폭발을 일으키는 무기다. Pu-239는 스스로 핵분열 연쇄 반응에 필요한 최소한의 질량인 ‘임계질량’이 작기 때문에 핵폭발 전 연쇄 반응을 방지하기 위해 귤 조각처럼 나눠서 무기 안에 넣는다.
핵폭발을 위해서는 한순간에 Pu-239 조각을 핵무기 가운데로 모아야 하기 때문에 기술적으로 어려운 것으로 알려졌다. 20㏏(1㏏=TNT 1천t)의 폭발력을 내기 위해서는 플루토늄 8㎏이 필요하며, 1945년 8월 9일 미국이 일본 나가사키에 투하한 ‘팻맨’이 대표적이다.
– 우라늄 농축이란.
▲ 자연상태에 0.72%밖에 존재하지 않는 U-235의 비율을 높이는 것이다. 중수로와 흑연감속로는 자연상태의 우라늄을 핵연료로 사용하지만, 경수로는 U-235를 2∼5% 정도로 농축한 핵연료를 사용한다. 일반적으로 핵무기에는 U-235의 비율을 90% 이상으로 높여 사용한다.
– 고농축 우라늄 핵무기란 무엇인가.
▲ 90% 이상으로 농축한 U-235를 핵폭발에 이용하는 핵무기다. U-235는 임계질량이 Pu-239에 비해 크기 때문에 통상 2조각으로 나눠서 무기 안에 넣는다. 이로 인해 기술적으로는 만들기 쉽지만, 핵무기 제조에 필요한 고농축 우라늄(20㏏ 폭발력 1기에 25㎏ 필요)을 짧은 시간 내에 생산하려면 대규모 농축 시설이 필요하다. 1945년 8월 6일 미국이 일본 히로시마에 투하한 ‘리틀보이’가 대표적이다.
– 남북한의 재처리 및 농축 시설 현황은.
▲ 우리나라는 재처리 및 농축 시설을 보유하고 있지 않다. 1991년 말 남북한이 합의한 ‘한반도 비핵화 공동선언’과 한·미 원자력협정에 따른 것이다.
그러나 북한은 재처리 및 농축 시설을 모두 보유하고 있다. 북한의 재처리시설에서는 지금까지 4차례 정도 사용후 핵연료 재처리가 이뤄진 것으로 알려졌다.
북한은 지난 2010년 11월 미국의 핵 전문가 지크프리트 해커 박사를 초청해 영변 핵단지 내에 우라늄 농축을 위한 원심분리기 1천여 개를 갖춘 대규모 첨단 시설을 공개하기도 했다.
– 북한은 핵물질을 어느 정도 확보했나.
▲ 국방부는 지난해 말 내놓은 ’2012 국방백서’에서 북한이 40여㎏의 플루토늄을 보유하고 있을 것으로 추정했고, 2009년 북한 외무성 대변인의 ‘우라늄 농축’에 대한 언급과 2010년 11월 우라늄 농축 시설 공개 등을 고려할 때 고농축 우라늄(HEU) 프로그램을 진행하는 것으로 평가된다고 밝혔다.
북한은 2010년 말 이후 연간 최대 40㎏의 HEU를 생산할 수 있는 2천기의 원심분리기를 가동하는 것으로 알려졌다.