최근 북한이 핵동결에 관한 1994년 제네바 합의에도 불구하고 비밀리에 핵무기를 개발해온 사실을 미국에 시인한 것으로 밝혀져 큰 파문이 일고 있다. 북한이 핵무기를 개발하고 있다는 증거도 제시되고 있다. 북한의 핵무기 개발에 대한 궁금증을 하나하나 풀어보자.
1. 북한이 가졌다는 핵물질은?
미 국무부와 백악관은 10월 16일 제임스 켈리 국무부 동아시아태평양 담당 차관보가 대통령 특사로 10월 3-5일까지 북한을 방문했을 때 북한측이 핵무기 프로그램을 가동하고 있음을 시인했다고 발표했다. 미 국무부는 “켈리 차관보와 대표단은 북한이 제네바 합의와 다른 합의를 깨고 핵무기 제조용 우라늄 농축 프로그램을 갖고 있음을 시사하는 정보를 최근에 입수했다. 이 사실을 북한측에 알렸는데, 북한 고위 관리들이 그같은 프로그램이 존재함을 인정했다”고 밝혔다. 또 미 CNN 방송은 부시 행정부 고위관료의 말을 인용, 켈리 차관보에게 핵무기 개발 사실을 시인한 북한측 인사는 강석주 외무성 부상이며 켈리 차관보가 북한이 최소한 핵무기 2기를 제조할 수 있는 플루토늄을 갖고 있음을 미국이 알고 있다고 압박하자 강 부상이 “미국 대통령은 우리를 ‘악의 축’이라고 불렀고, 미군은 한반도에 주둔하고 있다… 물론 우리는 핵 프로그램을 갖고 있다”는 발언을 했다고 전했다.
이처럼 북한이 핵무기 개발을 위해 가졌다는 물질은 우라늄과 플루토늄이다. 1945년 일본 히로시마와 나가사키에는 세계 최초로 원자폭탄이 투하됐다. 그런데 두곳에 투하된 원자폭탄은 서로 다른 종류였다. 즉 히로시마에는 우라늄, 나가사키에는 플루토늄으로 된 원자폭탄이 투하된 것이다. 보도대로라면 북한은 우라늄 원자폭탄 개발 프로그램, 그리고 플루토늄 폭탄의 원료도 갖고 있다는 말이다.
그런데 순수한 우라늄235(우라늄 원자핵의 질량이 2백35임을 의미)나 플루토늄239(플루토늄 원자핵의 질량이 2백39임을 의미)는 일정량 이상이어야 핵무기로 개발할 수 있다. 핵분열 시 방출된 중성자가 밖으로 빠져나가기 전 주변의 원자핵과 충돌해 연쇄반응을 일으킬 수 있으려면, 핵물질이 어떤 임계량을 넘어야 하기 때문이다. 만약 핵물질 덩어리가 작으면 많은 중성자들이 표면을 통해서 도망가기 때문에 연쇄적인 핵분열이 계속되지 못한다. 이처럼 연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질의 최소 크기를 ‘임계크기’라고 하며, 이때의 질량을 ‘임계질량’이라고 부른다.
우라늄 원자폭탄의 임계질량은 우라늄235가 93.5%인 경우 52kg인데, 이 정도면 멜론 크기만하다. 히로시마에 떨어졌던 원자폭탄의 우라늄은 50kg이었다. 그러나 중성자를 반사하는 하는 장치로 10cm 두께의 베릴륨이 있을 경우 15kg이면 가능하다. 플루토늄239가 93.5%인 핵무기급 플루토늄의 경우 임계질량이 11kg이고, 베릴륨 중성자 반사 장치가 있을 경우 4kg이다. 1945년 최초의 원자폭탄실험 ‘트리니티 테스트’에서는 플루토늄 6.1kg이 이용됐다.
2. 우라늄 농축 프로그램이란?
이번에 북한이 시인한 점은 핵무기 개발을 위한 우라늄 농축 프로그램이다. 우라늄 농축 프로그램이란 뭘까.
천연 우라늄에는 우라늄235가 약 0.7% 밖에 들어있지 않다. 나머지 99.3%는 핵분열하지 않는 우라늄238이 차지한다. 그러나 원자폭탄은 우라늄235가 90%이상 고비율로 농축된 것이 필요하다. 이를 ‘우라늄 농축’이라고 한다.
우라늄 농축법으로는 원심분리법, 기체확산법, 화학교환법, 레이저농축법 등이 있다. 이 중에서 북한이 사용하는 방법으로 원심분리법과 레이저농축법이 꼽히고 있다. 이 두방법에 대해 구체적으로 알아보자.
원심분리법은 세계적으로 가장 널리 이용되고 있는 방법으로 우라늄 동위원소들의 질량차를 이용한다. 이 방법은 북한이 오래 전부터 추진해온 것으로 알려지고 있다. 고전적 기술이라고 할 이 방법은 미국, 일본 등지에서 많이 사용되고 있다.
원심분리법은 금속 우라늄에 고열을 가해 기체로 만든 뒤 원통 속에 넣고 회전날개를 분당 5만-7만회 정도로 고속 회전시켜 우라늄235와 우라늄238을 분리해낸다. 입자가 무거울수록 원통의 바깥쪽에 모이는 원심력을 이용한 것이다. 일반적으로 이 방법을 35단계 거치면 90%의 고농축 우라늄을 만들 수 있다. 소규모로 만들 경우 3백평 이하의 지하시설에 설치할 수 있다.
한편, 레이저농축법은 좁은 장소에서 비밀스럽게 가동할 수 있다는 점 때문에 북한에서 이용할 가능성이 있다고 꼽힌다. 레이저농축법은 동위원소의 에너지 차를 이용한다. 기체상태의 우라늄에 강력한 레이저를 쪼여 우라늄을 이온상태로 만든다. 그런 후 자석으로 둘러싸인 공간을 통과시켜 우라늄235와 우라늄238을 분리해낸다. 즉 강한 자기장 속에서 우라늄 동위원소는 무게에 따라 휘는 정도가 다르기 때문에 우라늄235와 우라늄238이 쉽게 분리된다. 또한 한두번 반복 농축하면 90%의 고농축 우라늄235을 생산할 수 있다.
하지만 필진은 북한이 레이저농축법을 쓰지 않았을 것으로 생각한다. 우라늄을 이온상태로 만들어 분리하기 때문에 원자나 분자 단위로 생산된다. 대량 생산에는 적합하지 않다. 또한 아직까지 상용화돼 있지 않다. 한편 기체확산법의 경우 대규모 공장에 엄청난 전기가 소모돼 북한에서는 실현이 불가능하다. 화학교환법도 레이저농축법과 마찬가지로 아직 개발중에 있다.
3. 알루미늄 대량 구입이 증거?
미국은 북한의 핵개발 프로그램을 고강도 알루미늄을 대량 구입한데서 짐작할 수 있었다. 고강도 알루미늄과 핵개발은 어떤 관계가 있는 것일까.
고온·고압에 견디는 고강도 알루미늄은 우라늄 농축 설비 제작에 필요한 재료다. 특히 원심분리법에서는 필수적이다. 원심분리를 위한 통 자체는 물론, 그 안의 수만번 회전하는 회전날개와 이를 연결하는 베어링이 고강도 알루미늄으로 만들어진다. 때문에 원심분리법에서는 고강도 알루미늄이 상당량 필요하다. 예를 들어 원심분리기 속 회전날개는 높이가 1-2m이고 폭이 20cm인 원통모양인데, 이런 날개가 원심분리기 한개 속에 여러개 필요하다.
이런 까닭에 고강도 알루미늄은 핵개발과 관련된 확정적인 증거가 된다. 그래서 고강도 알루미늄은 수출통제 품목으로 규정돼 있다. 수출입 때 국제원자력기구(IAEA)에 신고하도록 돼 있다. 북한의 고강도 알루미늄 확보시도가 바로 핵개발과 관련된 확정적인 증거가 되는 셈이다. 한편 지난 8월에는 영국의 선데이 타임스가 파키스탄의 한고객이 46t의 고강도 알루미늄을 비밀리에 수입했다는 증거를 통해 파키스탄에서 핵개발이 추진되는 중이라고 보도했던 적이 있다.
다른 우라늄 농축 관련 장비나 자재도 핵개발의 노출 품목이 된다. 미 워싱턴포스트의 1999년 3월 11일자 보도에 따르면 북한은 당시 일본회사에 주파수변환기 2기를 주문했다가 일본정부에 의해 저지당했다. 그런데 주파수변환기는 바로 기체 원심분리기의 전자부품이다.
USA투데이지도 지난 8월 미국이 북한의 핵무기 개발을 확신하게 된 것은 북한이 기체 원심분리기의 핵심부품을 획득한 것이 결정적 계기였다고 보도했다. 또 한국 정부가 1999년 입수, 미국에 제공한 농축 우라늄 핵개발 첩보 역시 ‘북한이 우라늄 농축에 필요한 원심분리기 자재를 해외에서 구입한다’는 것으로 밝혀졌다.
4. 보다 강력한 무기는 수소폭탄?
미 대통령 특사 제임스 켈리가 10월 3일 북한을 방문했을 때 북한 강석주 제1부상이 “핵보다 더 강력한 무기를 갖고 있다”고 애매모호한 말을 흘렸다. 원자폭탄보다 더 무서운 무기란 도대체 뭘까.
쉽게 생각하면 원자폭탄보다 강력한 것으로는 수소폭탄이 떠오른다. 실제로 ‘미국 과학자들의 전략안보프로젝트협회’(FAS)의 마이클 레비 사무총장은 “나의 본능적 반응은 틀림없이 열핵폭탄을 가리키는 것”이라며 수소폭탄을 지목했다. 그가 단지 ‘더 무서운’이라는 말 때문에 수소폭탄을 거론했을까. 그렇지 않다.
수소폭탄은 중수소(중성자가 한개인 수소의 동위원소)나 삼중수소(중성자가 두개인 수소의 동위원소)의 원자핵이 융합해 헬륨 원자핵으로 바뀌면서 손실되는 질량으로 에너지가 발생하는 원리를 이용한다. 이 반응에서 원자폭탄처럼 중성자가 방출돼 연쇄반응이 일어나 엄청난 에너지를 발생시킬 수 있다.
그런데 중수소나 삼중수소가 있다고 해서 핵융합이 일어나는 것이 아니다. 이들이 융합하려면 4천℃ 이상의 고온 조건이 필요하다. 그래서 수소폭탄은 원자폭탄을 품고 있다. 내부의 원자폭탄을 먼저 터트려야 고온을 얻을 수 있고, 이를 방아쇠로 삼아 핵융합 반응이 일어난다. 때문에 ‘열핵폭탄’이라고도 부른다.
따라서 수소폭탄 제조는 원자폭탄이 먼저 개발돼야 가능하다. 레비 사무총장은 이런 이유로 북한의 핵무기 개발에 대한 언급에서 수소폭탄을 지목할 수 있었던 것이다. 그렇다면 강석주 제1부상의 ‘더 무서운 무기’로 수소폭탄이 지목되는 것이 과연 타당할까. 이는 신빙성이 없다는게 전문가들의 중평이다. 북한은 플루토늄 핵폭탄의 제조와 폭발실험의 경험이 없기 때문에 수소폭탄의 제조는 가능하지 않다는 것이다.
그렇다면 더 무서운 무기란 도대체 뭘까.
5. 이미 핵무기를 갖고 있다?
북한이 핵개발 계획을 시인한 사실이 공개되기 무섭게 도널드 럼즈펠드 미 국방장관은 아예 북한이 이미 핵무기를 보유하고 있다고 주장했다. 그는 10월 17일 “본인은 북한이 소수의 핵무기를 보유하고 있는 것으로 믿고 있다”면서 “추가 핵무기 개발도 추진중”이라고 주장했다.
그렇다면 북한은 핵무기를 이미 갖고 있는 것일까. 럼즈펠드 미 국방장관이 주장하는 북한 핵무기 보유설은 북한이 미국과 제네바 기본합의를 체결하기 이전인 1990년 전후에 추출한 플루토늄을 이미 핵무기로 전환했다는 내용인 것으로 추정된다.
1994년 북·미 제네바 기본합의에 의해 북한은 5MW(1MW=1백만W)급 흑연로로부터 방출된 30kg 정도의 핵무기급 플루토늄이 든 사용후 핵연료 48t을 현재 밀봉상태로 IAEA 감시 아래에 보관하고 있다. 그런데 자료에 따르면 북한은 1989년에 8kg 전후의 핵무기급 플루토늄이 든 사용후 핵연료 25-50t을 5MW급 흑연로로부터 비밀리에 방출했으나 정확한 내용은 아직 밝혀지지 않고 있다.
또한 현재 북·미간에 협의되지 않은 사항으로 1975년 소량의 플루토늄 추출 경력이 있는 북한의 연구용 원자로 IRT-2000의 사용후 핵연료 문제가 있다. 미국 국립연구소의 한 연구는 그동안 누적된 IRT-2000의 사용후 핵연료는 10kg 전후의 플루토늄을 담고 있을 것으로 예측하고 있다. 북한이 사용후 핵연료로부터 플루토늄을 얼마나 추출했는지는 아직 밝혀지지 않은 사항이나 미국은 핵무기 2-3기 분량의 플루토늄을 추출했을 것으로 추측하고 있다. 참고로 한 기의 핵무기 제조를 위한 최소한의 플루토늄 양은 4kg으로 알려져 있다.
그러나 원료가 비록 충분할지라도 플루토늄 원자폭탄을 이미 개발했다고 보기는 무리라는 게 전문가들의 지적이다. 플루토늄 핵폭탄의 경우 그 자체에서 발생하는 다량의 중성자로 인해 제조하기가 만만치 않기 때문이다. 또한 플루토늄 핵폭탄은 사용 전에 반드시 여러번의 핵실험을 거쳐야 한다. 최초의 원자탄 핵실험 역시 플루토늄 폭탄 실험이었다. 아직 북한이 핵실험을 한 사실이 없다는 점은 현재 플루토늄 핵폭탄을 소유하고 있지 못한 것으로 볼 수 있다는 말이다.
그렇다면 우라늄 핵폭탄을 개발할 가능성은 없을까. 우라늄 핵폭탄은 플루토늄 핵폭탄에 비해 상대적으로 많은 양의 고농축우라늄이 필요하다. 따라서 우라늄 농축에 상당한 시간과 노력이 걸리는 단점이 있지만 플루토늄 핵폭탄과는 달리 사전에 폭발 시험을 할 필요 없이 사용 가능하다는 큰 장점이 있다. 때문에 북한의 원자폭탄 개발은 우라늄 폭탄에 집중될 것으로 보인다.
그런데 북한의 새로운 핵무기 개발 계획과 관련해 미국측이 우리측에 통보해준 핵심 사안 중 하나는 북한의 핵개발 수준이 ‘연구단계’라는 것이다. 우리 정보 당국도 자체 정보를 통해 미국과 동일한 평가를 내린 것으로 알려졌다. 또한 IAEA 관계자도 “고농축 우라늄을 이용한 북한의 핵 개발 계획은 아직 초기 연구단계”라고 밝혔다.
그러나 북한이 이미 우라늄 원자폭탄을 개발할 가능성을 완전히 배제하기는 어렵다. 우라늄 농축을 직접 하지 않고 이를 외국으로부터 밀반입했을 가능성이 있다는 것이다. 느슨한 보호망을 통해 러시아로부터 농축 우라늄을 이미 들여와 핵폭탄을 개발했을 것이라는 전문가들의 의견도 있다. ‘더 무서운 무기’가 연구 단계가 아닌 핵폭탄 개발을 의미한다는 해석도 있다.
6. 핵무기 개발은 어디서 진행되고 있을까?
미국은 북한의 핵무기 개발의 새로운 거점으로 평안남도 평성, 양강도 영저동, 그리고 자강도 하갑이 의심된다고 우리 정부에 통보했다. 이 세곳은 어떤 이유에서 지목된 것일까. 평안남도 평성에는 북한판 대덕연구단지라고 할 수 있는 평성과학연구단지가 있다. 이 단지내 국가과학원이 핵무기 개발의 거점으로 의심받고 있다. 국가과학원은 물리학연구소, 전자공학연구소, 열공학연구소 등 2백여개의 연구소를 산하에 두고 있다. 또한 2백평 규모의 우라늄 농축시설이 있는 것으로 알려지고 있다. 미국은 평성의 국가과학원 쪽이 가장 유력하다고 우리측에 전했다.
중국과의 국경에서 20km 떨어진 양강도 영저동은 하갑 같은 산악지대로 대포동 1·2호 미사일의 발사기지가 있는 곳으로 알려졌다. 한미 양국은 북한이 1999년초부터 황해북도 평산군과 강원 고산군, 그리고 영저동에서 미사일 갱도시설공사를 해온 것으로 파악하고 있다.
자강도 하갑은 희천시와 묘향산 사이에 자리잡은, 몇몇 가구만 모여사는 벽촌이다. 자강도는 산세가 험하고 강계시 만포시 등지에는 1백30여개의 지하공장이 들어서 있는데, 대부분 지하 2백m에 있다. 지하공장 가운데 정밀기계를 생산한다고 알려진 곳은 주로 무기를 생산하는 군수시설로 파악되고 있다. 또 평북 박천의 우라늄 정련공장과도 멀지 않다.
미 국방정보국(DIA)은 1999년 비밀보고서에서 북한이 자강도 하갑에 지하 핵시설을 건설하고 있을 가능성이 높다고 지적했었다. 1994년에는 북한에서 온 귀순자가 자강도 동신군 김단골지역에 극비 핵시설이 있다고 증언하기도 했다.
미국은 북한이 1980년대 초 평안북도 박천의 우라늄 정련공장을 건설하고, 이어 1990년대 초 평산에 우라늄 정련공장을 건설할 때부터 북한의 핵개발 움직임을 예의주시하면서 고농축 우라늄을 사용한 핵무기 개발 가능성을 탐지해온 것으로 알려졌다. 그렇다면 외부에서 핵시설을 어떻게 탐지할 수 있을까. 정찰위성 카메라의 분석능력에 따라 핵시설 탐지가 가능하다. 일반적으로 핵시설의 가동 또는 동결 여부는 열을 감지하는 적외선 카메라에 찍힌 핵시설의 색깔로써 판정할 수 있다. 가동중인 핵시설은 붉은 색깔을 띤다. 그러나 정찰위성의 카메라는 지상 시설에 대해서만 탐지가 가능하다. 지하 핵시설을 탐지하기 어렵다. 험준한 산악지대와 지하에 핵시설을 만드는 이유가 바로 여기에 있다.
한편 미국의 정찰위성 중에는 벨라호텔이라는 것이 있는데, 이는 핵실험을 탐지하기 위한 것으로 내부에 방사능 탐지장치와 송신장치 등을 갖추고 궤도를 비행하면서 핵폭발을 감시한다. 만약 대기 중에서 핵폭발이 일어날 경우에는 방출되는 X선과 감마선을 탐지해 즉시 지상기지에 통지하도록 돼 있다.
그런데 국방연구원 관계자는“지금까지 인공위성이 먼저 핵개발 비밀시설을 발견해낸 적은 거의 없으며, 인적 정보와 핵개발 장비(원심분리기 등) 밀거래를 추적해 시설을 찾아내는 방식이 일반적인 패턴”이라고 말했다.
｜사용후 핵연료｜
원자로의 연료로 사용된 핵연료물질 또는 기타 방법으로 원자핵분열시킨 핵연료물질.
