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북한의 비핵화는 역대 가장 어려운 비핵화로 꼽힌다. 핵 보유 수준이 과거에 핵 능력을 포기한 국가들보다 월등히 높기 때문이다. 우라늄과 플루토늄을 각각 이용해 핵무기를 개발했고, 핵 실험도 여섯 차례에 걸쳐 실시했다. 대륙간탄도미사일(ICBM)과 같은 핵을 탑재할 수 있는 미사일도 1000발 가량 보유한 것으로 알려져 있다.
이 같은 핵 개발 능력을 갖기 위해 북한은 영변 핵과학 연구센터를 중심으로 전국에 스무 곳이 넘는 핵 시설을 구축했다(비공식적으로는 100곳). 대표적으로 5MW(메가와트)급 원자로와 우라늄 농축 시설, 사용 후 핵연료 재처리 시설인 ‘방사화학실험실’이 있다.
우라늄 농축 시설, 절단-제염- 폐기물 처리 순 해체
고농축우라늄(HEU) 제조 시설은 영변에 공개돼 있고, 지하에 알려지지 않은 장소도 있을 것으로 예상된다. 고농축우라늄은 핵폭탄의 가장 주요한 원료다. 북한은 핵 개발 초창기 플루토늄을 이용한 핵무기를 개발하다, 이후 고농축우라늄 제조에 집중했다.
고농축우라늄은 우라늄-235를 농축해서 만든다. 미국 노틸러스연구소가 2004년 발표한 보고서에 따르면 북한이 보고한 우라늄 광석 매장량은 450만 톤(t)이다. 이런 광석을 천연 우라늄 함유량이 높은 정광 형태로 바꾼 뒤, 육불화우라늄(UF6) 기체로 변환시킨다. 기체 상태의 육불화우라늄을 원심 분리기로 분리하면 질량 차이에 따라 우라늄-238은 걸러지고 우라늄-235의 농도를 90% 이상으로 높일 수 있다.
북한은 알루미늄이나 니켈-강철 합금 등으로 만든 금속 원심분리기를 수백~수천 개 직렬로 연결해 우라늄 농축도를 높여 온 것으로 추정된다. 정제와 용해, 산화, 환원을 반복하는 복잡한 공정을 거쳐야 하므로 내부는 복잡한 배관들로 이뤄져 있을 것으로 보인다.
그러나 국내 원전 해체 전문가인 서범경 한국원자력연구원 해체기술연구부장은 “해체 관점에서 어려운 시설은 아니다”라고 말했다. ‘방사성 때’를 벗기는 제염은 방법이 크게 두 가지다. 방사성 물질이 표면에 묻어 있는 경우에는 물리적으로 닦아 낸다(비고착성 오염). 하지만 오랫동안 방사성 물질이 닿으면서 표면 부식 등에 의해 고착화된 경우(고착성 오염) 해당 부분을 제염제로 아예 녹여내야 한다.
우라늄 농축 시설은 전자에 해당한다. 복잡한 배관들을 절단한 뒤, 배관 내부를 높은 마찰과 압력으로 닦아내기만 하면 된다. 게다가 우라늄이 핵분열을 한 뒤 생성되는 사용후핵연료는 강한 감마선을 내뿜지만, 우라늄 자체는 방출하는 방사선(감마선)이 다른 방사성 물질에 비해 외부를 피폭시킬 가능성이 작다. 사람이 직접 현장에 들어가 해체 작업(제염, 철거 등)을 하기가 쉽다.
서 부장은 “한국은 이미 우라늄 변환시설을 해체한 경험이 있다”고 설명했다. 실제로 한국원자력연구원 연구팀은 2001~2011년 한국원자력연구원 내부의 핵연료 분말(UO2) 생산 시설을 해체해 부지 복원까지 마쳤다. 해체 과정에서 발생한 방사성폐기물은 200L 드럼에 담아 경주에 있는 방폐장으로 이송했다.
결국 우라늄 농축 시설을 찾아내는 것이 관건이다. 플루토늄은 추출하기 위해 복잡하고 큰 시설이 필요한 반면 지하 임의의 시설에서 돌리는 원심분리기는 외부에서 확인하기 어렵다. 북한의 비핵화 로드맵이 본격적으로 진행되면 국제원자력기구(IAEA) 사찰팀은 과거와 현재의 모든 핵 프로그램 활동에 대해 신고한 사항을 확인하고, 신고하지 않은 활동에 대한 조사를 진행할 것이다. 조사는 문서 확인, 현장사찰, 시료분석(방사성 핵종 분석) 등을 통해 종합적으로 이뤄진다.
북한이 현재까지 확보한 고농축우라늄은 600~700kg가량일 것으로 추정된다(플루토늄은 40~50kg). 만약 북한에 이런 고농축우라늄이 남아있다면 어떻게 처리해야 할까. 과거 미국은 러시아의 고농축우라늄과 플루토늄을 수입해 경수로에 연료로 쓰는 프로그램을 개발했다. 무기로 쓰던 물질로 빛을 만든 셈이다.
송근우 한국원자력연구원 연구위원은 “고농축우라늄에 천연 우라늄을 섞어 희석하면 저농축우라늄 연료를 만들 수 있다”며 “국내에서 한 번도 해보지는 않았지만 기술적으로 어렵지 않은 일”이라고 말했다.
덩치 큰 원자로… 흑연 감속로는 지연 해체
북한은 5MW급 원자로를 운용하며 우라늄을 플루토늄으로 변환해왔다. 천연 우라늄을 원자로에 넣으면 중성자가 우라늄-238에 포획돼 우라늄-239가 생성되고, 이것이 붕괴하며 플루토늄이 만들어진다.
1. 고농축우라늄(HEU)을 제조할 수 있는 가스 원심분리기. 동위원소의 질량차를 이용해 우라늄-238을 걸러내고 우라늄-235를 농축한다.
2. 우라늄의 핵분열을 유도하는 원자로. 북한은 5MW급 원자로로 플루토늄을 생산해왔다.
3. 경주 방폐장의 ‘사일로’ 시설. 원전 시설 해체 시 발생하는 방사성폐기물을 밀봉한 뒤 저장하는 곳이다.
서 부장은 “문제는 북한이 감속재로 흑연을 사용한다는 점”이라며 “이 같은 방식이 경수로 원자로에 비해 해체가 훨씬 까다롭다”고 설명했다. 핵분열로 튀어나온 중성자는 매우 빠른 속도로 움직인다. 그대로 두면 핵분열이 지속적으로 일어나지 않기 때문에 중성자와 충돌해 속도를 늦추는 감속재가 필요하다. 우리나라는 안전성과 경제성이 큰 물을 이용하는 반면, 북한은 플루토늄이 더 많이 생성되는 흑연을 택했다.
방사화 흑연은 직접 처분이 힘들다. 흑연은 숯과 유사한 탄소가 주성분인 가연성 물질이고, 절단 해체 과정에서 쉽게 연소될 수 있는 흑연 분말을 발생시키는 등 화재 위험성이 높다. 그래서 오래 전부터 흑연 감속로를 사용한 영국도 ‘지연 해체’ 방식을 취하고 있다. 방사화 흑연의 처리 방법을 찾을 때까지 기다렸다가(60년 이상) 해체에 들어가는 방식이다.
원자로의 덩치가 큰 것도 문제다. 북한의 원자로는 플루토늄을 생산하는 목적으로 설계돼 같은 발전 용량을 가진 다른 원자로에 비해 규모가 큰 편이다. 고도의 기술을 적용해 정밀하게 설계한 원자로가 아니다. 덩치가 크면 폐기물이 많다. 특히 원자로와 같은 원전 핵심설비에서 나오는 방사성폐기물은 방사화 돼 ‘방사성 때’를 벗기기가 쉽지 않다. 방사화된 부위를 아예 제거해야 한다. 통상 1100MW급 원전 1기를 철거하면 방사성폐기물이 6000t 가량 나온다.
서 부장은 “원전 해체를 위한 기본적인 기술은 확보한 상태”라고 말했다. 연구팀은 2021년 완료를 목표로 1997년부터 이전 한국원자력연구원 부지(서울 노원구)에 있는 2MW급 연구로(TRIGA MARK-3)를 해체하고 있다. 북한의 원자로는 압력용기 돔 내부에 핵연료봉이 차폐된 형태이고, 우리나라의 연구로는 개방된 수조 형태라는 점에서 차이가 있지만 ‘제염-절단-철거-복원’이라는 해체의 기본 과정은 동일하다.
서 부장은 “원전 해체를 위한 기본적인 기술은 확보한 상태”라고 말했다. 연구팀은 2021년 완료를 목표로 1997년부터 이전 한국원자력연구원 부지(서울 노원구)에 있는 2MW급 연구로(TRIGA MARK-3)를 해체하고 있다. 북한의 원자로는 압력용기 돔 내부에 핵연료봉이 차폐된 형태이고, 우리나라의 연구로는 개방된 수조 형태라는 점에서 차이가 있지만 ‘제염-절단-철거-복원’이라는 해체의 기본 과정은 동일하다.
비핵화의 핵심, 재처리 시설
재처리 시설은 사용후핵연료에서 핵폭탄의 원료인 플루토늄을 추출하는 시설이다. 플루토늄은 핵무기 1개를 만드는 데 필요한 임계질량(핵분열이 연쇄적으로 일어나게 만드는 최소한의 양)이 약 5kg으로 우라늄의 절반 수준이다. 북한은 이런 재처리 시설을 가동하기 위해 2003년 1월 두 번째로 핵확산금지조약(NPT)을 탈퇴한 바 있다.
전문가들은 ‘방사화학실험실’이라고 불리는 이런 재처리 시설이 북한 핵시설 해체의 ‘키(key)’가 될 것으로 전망했다. 서 부장은 “강한 방사선을 내는 사용후핵연료와 플루토늄을 직접 처리하는 시설”이라며 “모든 북핵 시설 중에서 방사선 준위가 가장 높을 것”이라고 예상했다. 사용후핵연료 재처리는 공정도 복잡하다. 시설 내 용기나 배관이 복잡하게 설계돼 있다는 의미다.
해체를 완료한 사례 중 가장 잘 알려진 시설은 벨기에의 ‘유로케믹(Eurochemic)’이다. 1990년부터 약 20년에 걸쳐 유럽연합(EU)에서 시범사업으로 지정해 해체를 진행했다. 길이 80m, 폭 27m, 높이 30m인 유로케믹은 영변 재처리 시설의 규모(길이 180m, 폭 20m, 높이 6층 건물)보다 훨씬 작다.
재처리 시설은 방사능 준위가 높기 때문에 대부분 로봇 등을 이용해 원격으로 해체할 수밖에 없다. 원격으로 작동하는 크레인과 로봇팔, 톱 등을 설치해 시설을 절단한 뒤, 역시 원격으로 드럼에 넣어서 방사성폐기물 처분장으로 보내야 한다. 현재 프랑스 등에서 원격으로 재처리 시설 해체를 수행하고 있다.
국내 연구진도 고성능 레이저를 단 로봇팔을 개발하고 있다. 한국원자력연구원 연구팀은 현재 6kW(킬로와트) 출력의 레이저로 두께가 10cm인 스테인리스 금속을 자르는 데 성공했다. 또한 이것을 ‘실감형 원격 절단 시뮬레이터’와 결합하는 연구를 하고 있다. 실감형 원격 시뮬레이터는 오염된 부위를 정확하게 자르고 담는 훈련을 도와주는 가상현실 프로그램이다. 궁극적으로 조종실에 있는 로봇팔을 움직여 현장에 있는 로봇팔을 움직일 수 있도록 발전시켜 갈 예정이다.
서 부장은 “원전 같은 시설은 해체하는 데 기본적으로 10년 이상 걸린다”며 “특히 재처리 시설은 오염도가 워낙 높아 길게는 20년 이상 소요될 것”이라고 말했다. 방사성폐기물이 한꺼번에 대량 발생하지 않도록 제염-절단-제염-철거 작업을 부분적, 순차적으로 진행하기 때문이다.
발생한 고준위 방사성폐기물은 녹인 유리 속에 넣어 굳히는 방식(유리화)이 현재로서는 최선의 방법이다. 세계적으로 고준위 방사성폐기물을 영구 처분할 수 있는(땅에 묻을 수 있는) 시설은 없다. 서 부장은 “재처리 시설 해체는 앞으로 연구해야할 부분이 많다”며 “사용후핵연료를 직접 다루면서 발생한 폐기물과 주변의 오염된 토양을 처리하는 기술 등 새로운 기술을 개발해나갈 계획”이라고 밝혔다.
사용후핵연료, 남아 있을 가능성은?
2016년 북한 원자력연구소는 일본 교도통신과의 서면 인터뷰에서 “흑연 감속로에서 꺼낸 사용후핵연료를 재처리했다”며 플루토늄 생산 재개를 공식적으로 시인했다. 2009년 이후 가동이 중단됐다고 알려진 재처리 시설이 재가동된 사실이 공식적으로 확인된 셈이다.
북한은 재처리 시설 가동과 중단을 여러 차례 반복했다. 대표적으로 1994년 ‘제네바 합의’ 이후 재처리 시설 봉인을 선언했다가 2002년 해제했다. 북한이 사용후핵연료를 수조에서 보관하는 이 기간 동안 세계적으로 오히려 안전 논란이 불거졌다. 송 연구위원은 “북한의 핵연료봉은 피복관이 마그네슘 성분이라 부식이 심하다”며 “1년 이상 보관하려면 수조의 상태를 최상으로 관리해야하는데 당시 북한의 기술수준이 그렇지 못했기 때문”이라고 설명했다.
우리나라는 핵연료봉의 피복관을 지르코늄으로 만든다. 우리나라의 사용후핵연료는 5년 이상 수조 속에 담궈 열을 식히고, 이후 꺼내 말리면 불활성기체 내에서 40~60년 동안 건식저장할 수 있다. 하지만 북한이 사용하는, 부식이 심한 핵연료에 대해서는 이런 저장 방식을 적용한 사례가 전 세계적으로 없다.
피복관이 부식에 의해 파손되면 방사성 물질들이 빠져나온다. 또 설상가상으로 물과 우라늄이 만나면 물 속의 산소와 반응하면서 수소가 발생하며, 우라늄과 수소가 다시 반응해 우라늄 하이드라이드가 만들어진다. 우라늄 하이라이드는 공기 중 산소와 만나면 자연 발화한다.
이를 막기 위해서는 사용후핵연료의 열을 식히는 수조의 온도와 불순물 농도, 수소이온농도(pH) 등을 세심하게 관리해 부식을 최소화해야 한다. 기술적인 노력과 비용이 많이 든다. 따라서 북한은 군사적인 목적 외에 이러한 이유로도 사용후핵연료의 재처리를 택했을 가능성이 높다. 현재 북한에는 원자로에서 연소 중인 핵연료를 제외하고는 사용후핵연료가 많이 남아있지 않을 가능성이 높다.
사용후핵연료를 안전하게 관리하는 기술은 북한뿐 아니라 우리나라에도 중요하다. 가까운 예로 고리 1호기를 해체하기 위해서는 사용후핵연료를 수조에서 빼내야 하는데, 빼낸 사용후핵연료를 건식으로 저장할 수 있는 시설이 우리나라에는 아직 없다. 현재 건식저장 기술을 개발 중이고 2024년까지는 완료할 예정이다.
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