• 起爆裝置 開發 없는 核武器는 없다
• 파이로는 使用後核燃料 量 劃期的으로 줄이는 技術
• 商業的으로는 아직 누구도 成功하지 못해
• 濕式再處理에 盡力했으나 成功 못한 日本…韓國은?

2016年 3月 19日 效力을 喪失하는 現 韓美原子力協定을 代替할 새 韓美原子力協定에 많은 關心이 쏠린다. 兩國의 政治 日程上 2015年 3月까지는 合意돼야 하는 새 協定에 우리는 ‘韓國 再處理 可能’이란 表現이 揷入되길 바라지만, 美國은 ‘全혀 아니올시다’이기 때문. 우리의 目標는 말장난 같지만, ‘再處理는 못해도 再活用은 받아내자’는 것인데, ‘美國은 再活用이 再處理 아니냐’고 疑心한다.

이 協商을 이끄는 韓國 代表는 外交部의 박노벽 臺詞다. 그는 韓國 原子力界의 助力을 받아가며 토머스 컨트리맨 美 國務部 國際安保·非擴散 擔當 次官補 等과 4年째 協商을 進行해왔다. 그러나 조심스러운 나머지 協商이 어떻게 進行되고 있는지 도무지 說明하려 하지 않는다. 美國에 우리 속을 보일 수도 있어 忌避하는 것인지도 모른다.

이것이 逆作用을 낳았다. 美國으로부터 再處理 同意를 받아내지 못했기 때문이라는 輿論이 造成된 것. 美國은 어떤 境遇든 韓國에 再處理를 許容하지 않을 것이니 이 斟酌은 옳다. 유엔은 ‘P-5’로 불리는 安全保障理事會 5代 常任理事國에만 軍事用 核武器 製造를 許容하고 있다. 그러나 現實에서는 “안 돼요, 돼요, 돼요…”처럼, ‘肯定의 노(No)’도 있다는 것을 잊지 말아야 한다.

이 協商에서 朴 大使는 무엇을 어떻게 챙겨왔는가. 이를 살펴보려면 原子力의 A to Z를 알아야 한다. 이와 함께 朴 大使를 앞세워 韓國 原子力界가 받아낼 수 있는 것이 무엇인지 살펴보기로 한다.

起爆裝置 開發이 核心



우라늄은 自然系에 있는 元素 가운데 가장 무겁다. 우라늄에는 우라늄 232에서 238까지의 同位元素가 있는데, 이 中 가장 많은 것이 우라늄 238이다. 數字 238은 質量을 나타낸다. 우라늄 238은 全體 우라늄에서 99.3%를 차지하기에, 우라늄의 質量은 238로 統稱한다. 그다음으로 많은 것이 0.7% 存在하는 우라늄 235다. 234 等 나머지는 ‘너무너무 적어’ 따로 카운트하지 않는다.

이 가운데 核爆發이라고 말하는 ‘核分裂’을 일으키는 것이 235다. 中性子는 水素를 除外한 모든 元素의 核에 들어 있는 粒子다. 이 中性子가 우라늄 235를 때리면, 우라늄 235街 깨지면서, 품고 있는 中性子 2~3個를 내놓으며 强力한 熱을 낸다. 우라늄 235는 核이 分裂되면서 에너지를 내기에, 原子力을 ‘核分裂 에너지’라고 하는 것이다.

自然 狀態에서 우라늄 235는 絶對 核分裂을 하지 않는다. 濃度를 높이는 ‘濃縮’을 해줘야만 한다. 自然 狀態에서는 0.7%에 지나지 않는 235의 比率을 7%→17%→77% 式으로 濃縮하다보면 재밌는 現象이 發見된다. 90% 以上 濃縮하면 20kg만 있어도 핵분열하지만, 30%臺 農畜에서는 數十 t이 있어야 한다. 濃縮度에 따라 決定되는 核分裂 質量을 ‘臨界質量’이라고 한다.

核武器는 미사일에 올려야 하니 90% 以上으로 濃縮한다. 그런데 이 우라늄은 20kg만 있어도 바로 핵분열하니 問題가 된다. 敵國(敵國)에 날아가서가 아니라 濃縮하는 나라에서 터져버리는 것. 따라서 臨界質量이 되지 않도록 잘게 쪼개놓는 것이 重要하다. 이 미사일이 發射돼 敵國에 到達했을 때 合體해, 핵분열하게 하는 것이다.

自國에서 다룰 때는 臨界質量에 이르지 못하게 하고, 敵國에 到達할 때만 臨界質量이 되게 해주는 裝置를 ‘旗幅(起爆)裝置’라고 한다. 이때 重要한 것은 100萬分의 1秒 以內에 旗幅을 하게 하는 것이다. 이 時間을 넘기면 이 核彈頭는 核武器로서의 機能을 喪失한다. 核分裂을 해 放射性 物質은 뿌리지만, 威力이 한참 未達하는 ‘더티 밤(dirty bomb)’李 되는 것이다.

起爆裝置 開發은 濃縮이나 再處理보다 어렵다고 한다. 起爆裝置는 精巧하니 덩치가 크다. 1t에 肉薄한다. 따라서 完成된 核彈頭의 무게는 1t이라는 通說이 形成됐다. 1t짜리 核彈頭를 싣는 미사일은 어머어마한 크기여야 한다.

2013年 發射에 成功한 羅老號는 길이 33m에 무게 140t이지만 彈頭로 볼 수 있는, 싣고 간 衛星의 무게는 100kg에 지나지 않았다. 그러니 羅老號는 核彈頭를 싣는 大陸間彈道미사일(ICBM)이 될 수 없다. 100萬分의 1秒 以內에 作動하는 1t 以下의 起爆裝置 開發은 매우 어렵다.

플루토늄이 包含된 超우라늄

北韓은 우라늄을 濃縮해 核武器를 만들지 않았다. 再處理를 통해 製作했다. 美國이나 러시아 等 旣存 核 保有國道 大部分 再處理로 核武器를 만들었다. 再處理가 核武器 製造의 主된 루트가 된 데는 그럴 만한 理由가 있다.

韓國이 많이 運用하는 輕水爐는 우라늄 235를 5% 程度로 濃縮한 것이다. 韓國 輕水爐는 이러한 核燃料를 無慮 75t 裝塡하지만, 臨界質量 不足으로 核分裂하지 않는다. 따라서 ‘造作’을 한다. 人爲的으로 中性子를 쏴 235를 분열시키는 것이다.

人爲的으로 쏴準 中性子가 原子爐 안을 마구 돌아다니다가 100分의 5 確率로 235와 衝突하면, 235街 쪼개지면서 强力한 熱과 함께 放射線이 나온다. 放射線은 原子爐로 遮斷하고, 熱로는 물을 끓여 蒸氣를 만들고, 그 蒸氣로 發電機를 돌리는 것이다.

中性子를 맞은 우라늄 235는 품고 있는 中性子 2~3個를 放出하니, 原子爐 안에서는 中性子가 急增해 더 많은 235街 分裂된다. 그에 따라 熱이 빠르게 높아지는데, 極度로 심해지면 原子爐가 녹는 ‘溶融’이 일어난다. 事故(事故)가 일어나는 것. 이를 막으려면 中性子를 잡아먹는 物質을 넣어 適正 數의 中性子만 돌아다니게 한다. 이 物質이 바로 가돌리늄과 硼素다.

原子爐 안에는 물을 넣어 核燃料에서 나오는 熱을 받아내는데, 이 물에 硼素를 타 硼酸水를 만든다. 마구 늘어나는 中性子는 硼酸水가 大體的으로 制御한다. 그리고 가돌리늄을 품은 막대기인 ‘制御棒’을 原子爐 안에 넣었다 뺐다 하며 微細 調節을 해, 原子爐에서 一定한 出力(熱)李 나오게 한다.

原子爐를 稼動할 때 95%를 차지하는 우라늄 238度 中性子를 맞는다. 238은 代替로 中性子를 튕겨내지만 가끔은 먹어버린다. 中性子의 質量은 1이니 中性子를 먹은 우라늄 238의 質量은 239街 된다. 自然系에는 없는 더 무거운 物質이 되는 것인데, 이것이 바로 플루토늄이다. 極微量 存在하는 우라늄 233, 234 等도 中性子를 받아 새로운 物質이 되는데, 이를 ‘初(超)우라늄’이라고 統稱한다. 플루토늄도 超우라늄에 包含된다. 그리고 쓰레기인 ‘核分裂 生成物’도 생겨난다.

再處理는 플루토늄만 긁어내는 것이다. 이것이 우라늄 235를 濃縮하는 것보다 쉬워서 大部分의 核武器 保有國은 使用後核燃料 再處理로 얻은 플루토늄으로 核武器를 만들었다. 現實이 이러하니 美國 等 原子力 技術을 傳授하는 나라들은 어떠한 境遇에도 再處理와 濃縮을 하지 못하게 한다.

高準位廢棄物 줄여라

美國의 技術을 받아 原子力 發展을 始作한 나라는 使用後核燃料를 쌓아놓고만 있어야 하는 것이다. 여기에 深刻한 問題가 있다. 使用後核燃料는 放射線과 함께 發展(發電)을 하기에는 모자라지만 물은 充分히 끓일 수 있는 熱을 오랫동안 放出한다.

放射線은 5m 程度 깊이의 물은 通過하지 못한다. 그 때문에 使用後核燃料를 물을 넣은 水槽에 담아놓는다. 使用後核燃料에서 나오는 熱은 50餘 年이 지나면 相當히 떨어지니, 50年 以上 水槽에서 保管하는 것이다.

그리고 꺼내 容器에 담아 ‘乾式(乾式) 保管’을 하거나 사람이 接近하기 어려운 地下 500~1000m 깊이의 巖盤洞窟에 넣어 埋立해버린다. 洞窟에 埋立하는 것을 ‘永久處分’이라고 한다.

美國은 땅이 넓고, 不毛地인 沙漠도 많으니 永久處分場을 지을 수 있다. 그러나 韓國은 人口密度가 매우 높고 不毛地가 없어, 永久處分場 될 곳 찾기가 쉽지 않다. 그래서 窮餘之策으로 注目하게 된 것이 再處理다. 再處理를 하면 가장 많은 超우라늄人 플루토늄은 核燃料로 재사용하고 其他의 超우라늄과 核分裂 生成物은 긁어내 따로 管理하니, 高準位 廢棄物이 크게 줄어든다.

高準位 廢棄物은 使用後核燃料의 5%를 차지한다. ‘毒種’들이 빠진 使用後核燃料는 100餘 年 保管하면, 放射線 濃度가 自然放射線 程度로 떨어지는 重準位 廢棄物이 된다. 따라서 100餘 年 뒤에는 處分場에서 꺼내 다른 用途로 再活用하거나, 金浦埋立場 같은 一般 쓰레기埋立場으로 보내도 된다.

플루토늄을 뺀 超우라늄 物質과 核分裂 生成物은 ‘眞짜’ 高準位 廢棄物이니 이것들만 永久處分한다. 이것에서도 强한 放射線과 함께 熱이 나온다. 이 熱은 100餘 年 동안 持續되니 그 期間 물에 담그는 式으로 冷却했다가 꺼내 液體 琉璃와 섞어 식힘으로써 固體化한다(유리화). 琉璃畫를 하는 理由는 天災地變이 일어나도 이것들이 琉璃 속에서 나오지 못하기 때문이다. 琉璃畫를 하면 理論上으로는 부피가 20分의 1로 줄어드니, 韓國은 處分場 스트레스에서 벗어날 수 있다.

그런데 美國은 플루토늄으로 核武器로 만들 수 있다며 再處理에 決死反對한다. 이 反對를 기막히게 뚫고 들어간 나라가 있다. 第2次 世界大戰 때 原子爆彈을 맞고 降伏한, 戰犯(戰犯)國家 日本이다.

日本은 精巧한 ‘原子力 外交力’을 發揮했다. 美國 等의 疑心을 없애기 위해 1967年 일찌감치 ‘核武器를 製造도, 保有도, 搬入도 하지 않는다’는 非核 3原則을 發表해놓고 再處理에 挑戰했다.

再處理 向한 日本의 戰略

使用後核燃料에서는 剛한 熱과 放射線이 나오므로, 再處理는 ‘핫셀(hot cell)’에서만 한다. 핫셀은 放射線科 熱을 막는 두께 2m 程度의 壁을 만들고, 그 壁에 放射線科 熱을 막는 琉璃로 窓을 낸 後, 그 窓으로 들여다보며 로봇 팔 等을 利用해 作業하는 곳이다.

傳統的인 再處理는 使用後核燃料를 均一하게 자르는 것으로 始作한다. 그리고 窒酸을 담은 容器에 넣어 녹인 다음, 成分別로 分類를 한다. 그런데 窒酸이 워낙 독하기에 勇氣가 녹기도 한다. 鎔接을 했거나 그릇 模樣을 만들기 위해 구부린 곳이 弱해져 窒酸이 새버리는 것이다.

이렇게 되면 放射性 物質도 함께 나가니, 勇氣 밑의 施設은 窒酸과 放射性 物質 兩쪽으로부터 ‘攻擊’ 當하게 된다. 原子爐 鎔融보다 더한 事故가 일어나는 것. 이것이 再處理를 할 때 맞을 수 있는 큰 難題인데, 美·蘇는 勿論이고 後發走者인 영·불은 숱한 施行錯誤를 겪으며 解決策을 찾아냈다.

그때의 再處理는 核武器 製造를 위한 것이라 少量만 했다. 少量의 窒酸을 다루는 것은 多量의 窒酸을 다루는 것보다 쉽다. 後發走者인 英國과 프랑스는 블루 오션을 보았다. 여러 나라가 늘어나는 使用後核燃料 處理 問題로 苦悶하는 것을 보고 民間用 再處理 施設을 만들려고 한 것. 商業用 原子爐에서 나오는 使用後核燃料는 量이 많으니 大容量의 再處理 施設을 지어야 한다.

프랑스에 便乘

프랑스는 셸部르에, 英國은 셀라필드에 그 工場을 지었다. 프랑스에서는 問題가 없었는데 英國에서는 容器에서 窒酸이 새는 事故가 일어나, 英國은 본 稼動 얼마 後 이 工場 稼動을 멈춰버렸다(현재까지도). 두 나라가 工場을 지으려 할 때 非核化宣言을 한 日本은 ‘海外 委託 再處理’를 핑계로 投資를 했다. 두 나라 工場이 完成되면 日本의 使用後核燃料를 보내 再處理하겠다며 ‘先金’을 내놓은 것이다.

이 投資 金額은 只今까지도 祕密이다. 專門家들은 建設費用의 4分의 1을 日本이 負擔했을 것으로 본다. 日本이 롯카쇼무라에 完工한 再處理工場의 建設費用이 20兆 원 程度니, 只今 換率로 따지면 兩쪽에 各各 5兆 원 程度를 投資했을 것으로 본다. 그리고 成功한 프랑스로부터 技術을 받아 롯카쇼무라에 再處理工場을 지었다. 그때도 巧妙한 策略을 驅使했다.

結果的으로 失敗한 英國은 勿論이고 投資한 적이 없는 美國도 ‘歡心을 사기 위해’ 建設에 참여시켜 돈을 벌 수 있게 해준 것이다. 美國은 그렇게 나오는 日本이 奇特했는지 非軍事用을 前提로 ‘再處理는 勿論이고 濃縮度 할 수 있도록’ 美日原子力協定을 改正해줬다(1988년).

2010年 日本은 롯카쇼무라 工場을 完工했다. P-5街 아닌데도 合法的으로 濃縮과 再處理 工場을 가진 唯一한 나라가 된 것이다. 이 工場은 프랑스 것보다 最新型이었다. 그런데 試驗 稼動만 하고 本稼動은 하지 못하고 있다. 日本은 그 理由를 밝히지 않고 있는데, 專門家들은 琉璃畫 過程에 問題가 일어난 것으로 본다. 窒酸 勇氣에만 注目하다 伏兵을 만났다는 것이다.

日本은 너무 앞서나갔다. 플루토늄 核燃料를 쓰는 原子爐가 極少數란 點을 輕視한 것이다. 그런데 플루토늄을 利用한 核燃料(MOX 燃料라고 한다)를 製作한다고 하니 經濟性도 없고 國內外 輿論이 좋지 않다. 琉璃畫가 完璧하지 못한 狀態에서 후쿠시마 事故가 일어나 繼續 點檢만하고 있다.

窒酸을 利用해 핫셀에서 再處理하는 것을 ‘濕式(濕式)再處理’, 專門用語로는 PUREX라고 한다. PUREX는 ‘플루토늄 우라늄 抽出’이라는 뜻의 ‘Plutonium-URanium EXtraction’을 줄인 것이다. 최신인 롯카쇼무라의 失敗로 濕式 再處理는 完全하지 않다는 評價를 받게 되었다. 日本의 熾烈한 努力은 折半의 失敗로 歸結된 것이다. 그 때문에 世界는 窒酸을 쓰지 않는 ‘파이로 프로세싱’을 代案으로 삼게 되었다.

監視者를 짝으로 삼은 韓國

파이로(Pyro)는 그리스어로 불(fire)을 뜻한다. 切斷한 使用後核燃料를 여러 番 태우면 가루가 된다. 그 過程에서 독한 ‘核分裂 生成物’은 氣體가 되는데, 이는 필터로 包집(捕執)할 수 있다. 氣體狀態로 捕執된 核分裂 生成物은 半減期가 짧아져 重準位 廢棄物이 된다. 그리고 남는 것이 95% 程度의 우라늄 238과 플루토늄이 包含된 超우라늄 1~2%이다.

여기에서 超우라늄을 뽑아내, 파이로 프로세싱으로 抽出한 우라늄 238이나 新鮮한 우라늄 238과 3對 7의 比率로 섞어 核燃料를 만든다. 이는 플루토늄만 긁어내는 ‘再處理’와 달라, 우리는 ‘再活用’이라 한다. 그리고 파이로 프로세싱으로 處理한 우라늄 238度 再使用하니, 琉璃畫를 해야 할 高準位 廢棄物은 제로에 收斂할 程度로 적어진다.

플루토늄이 包含된 超우라늄을 30% 內包한 核燃料는 一般 中性子보다 훨씬 빨리 움직이는 ‘속(速)中性子’를 쏴줘야 核分裂한다. 속中性子를 쓰는 原子爐를 ‘高速爐’라고 하는데, 高速爐는 只今의 輕水爐보다 훨씬 센 出力이 나온다. 이 高速로는 물이 아닌 소듐(나트륨)으로 熱을 뽑아내, 그 熱로 蒸氣를 만들어 發展하기에, ‘소듐高速爐’란 이름을 갖게 됐다.

只今의 原子爐를 3世代 原電이라 하는데, 소듐高速爐는 4世代 原典으로 꼽힌다. 소듐高速爐와 競爭할 다른 4世代 原電이 ‘高速增殖爐’다. 이 原子爐는 우라늄 238이 中性子를 먹으면 플루토늄이 된다는 原理를 利用한다.

95% 程度를 차지한 우라늄 238이 中性子를 받아 플루토늄이 될 條件을 만들어주고, 이 플루토늄도 핵분열하게 함으로써 아주 오래 에너지를 뽑아내는 것이다. 이 原子爐도 속中性子를 使用한다. 核分裂을 할수록 플루토늄이 늘어나기에(증식), 高速增殖爐로 불리게 됐다.

理論上 파이로 프로세싱을 하면 高準位 廢棄物은 생기지 않는다. 그러나 實際로 해보면 若干의 超우라늄 等이 남을 수 있으니 이들만 永久處分하면 된다. 4世代 原電用 核燃料 製作에 적합한 파이로는 液體(窒酸)를 쓰지 않기에 ‘乾式(乾式) 再處理’로 불린다.

파이로度 美國에서 먼저 硏究했다. 그런데 美國에는 濕式 再處理施設이 充分한 데다 使用後核燃料를 保管할 不毛地도 많아, 全力을 기울이지 않았다. 그 때문에 原理만 밝혀놓고 멈췄는데, 韓國이 이를 받아 硏究에 나선 것이다.

이어 印度 中國 日本 프랑스 等도 비슷한 理由로 挑戰하게 됐다. 最近에는 美國도 파이로가 濕式보다 낫다고 判斷해 다시 硏究를 하려 한다. 韓國은 이러한 變換을 韓美原子力協定 改正의 포인트로 삼으려 한다. 日本이 프랑스를 파트너로 삼아 濕式 再處理를 推進했다면, 우리는 ‘監督官’인 美國을 짝으로 삼아 乾式 再處理 技術을 開發하겠다는 것이다.

이를 위해 韓國은 韓半島非核化共同宣言(1992年)을 國試(國是)처럼 履行해왔다는 것을 强調한다. 파이로 硏究는 美國에서 하겠다고 提議했다. 美國은 많은 核武器를 開發해봤기에 核 硏究의 天國이다. 韓國에는 핫셀이 原子力硏究院에만 있지만, 美國에는 3000個 소에 있다. 美國은 韓國의 돈과 人力으로 파이로를 같이 開發할 수 있으니 亦是 利得을 볼 수 있다.

99% 成功은 失敗인가, 成功인가

美國은 使用後核燃料를 切斷한 다음 反復해서 태워 氣體로 바뀐 核分裂 生成物을 捕執하는 것까지는 許可하려고 한다. 그러나 超우라늄을 抽出해 우라늄 238과 섞어 새로운 核燃料를 만드는 것에 對해서는 ‘超우라늄 抽出이 곧 플루토늄 抽出이 아니냐’며 拒否한다. 이에 對해 韓國은 起爆裝置가 없으면 플루토늄을 抽出해도 核武器가 되지 않는다는 點과 韓國은 非核化宣言에 따라 起爆裝置를 開發하지 않는다는 點을 들어 美國을 說得하고 있다.

파이로 開發을 貫徹하기 위해 韓國은 ‘濃縮을 해야 한다’는 主張은 거의 하지 않는다. 美國을 安心시키기 爲해서다. 美國은 論理가 달리기에 조금씩 讓步를 해왔다. ‘再處理는 無條件 안 되지만 高準位를 줄이기 위해 파이로를 硏究할 수 있게 해준다. 이 硏究가 成功하면 그때 韓國에 파이로 工場을 짓는 것을 檢討하자’는 것이 美國의 大體的인 意見이다.

그런데 믿을 수 없는 것이 사람이다. 美國은 成功을 根據로 韓國에 파이로 工場 建設을 許容할 수 있다고 하지만, 맘이 바뀌면 다른 소리를 할 수도 있다. 1%의 不實을 根據로 成功을 否認할 수도 있는 것. 韓國 原子力界와 朴 大使는 그 對策 마련에 腐心해왔다. 그 때문에 ‘99% 成功은 失敗가 아니라 成功이다’는 것을 分明히 해 ‘다음 段階로 가게 한 後 1%를 解決하게 한다’는 條項을 附屬書에 넣기 위해 애를 써왔다.

이것이 바로 韓國의 ‘안 돼요, 돼요, 돼요’ 戰略이다. 이러한 努力을 해온 朴 大使에게 拍手를 쳐야 할까, 揶揄를 보내야 할까. 그리고 韓國은 日本과 달리 失敗하지 않고 파이로를 開發할 수 있을 것인가.