국제 정치 관련된 책을 읽다 보니 [핵무기]에 대한 이야기가 끊임없이 중요하게 다루어지고 있는 것을 보게 되었다. 핵무기라는 것은 파멸을 초래하는 무기 임에는 틀림없지만 그와 동시에 크나큰 전쟁을 막아주는 억지력을 가지게 되는 모순이 있다.
현재 핵 무기 보유국은 미국, 영국, 프랑스, 러시아, 중국, 이스라엘, 인도, 파키스탄, 북한 등 총 9개 나라가 있다. 선진국도 있지만 파키스탄 북한과도 같은 나라도 보유할 수 있는 것이 핵무기라는 것을 보면 조금 의아한 면도 있다.
핵무기 만드는 데에는 그다지 첨단 기술이 필요 없는 것이 아닌가 라는 생각과 함께 정확히 핵 무기를 만드는 방법은 무엇이고 어떤 과정을 거쳐 만들어지는지를 알아보고자 잠시 조사 후 포스팅으로 남기려고 한다.
1. 핵무기의 구성요소
2. 우라늄 농축 제작
- 핵무기 제조와 원자력 발전의 차이점
- 우라늄을 농축시키는 방법은 무엇일까?
3. 플루토늄 제작
4. 글을 마치며
1. 핵무기의 구성요소
핵무기가 되기 위해서는 총 세 가지의 구성요소가 있다.
●첫 번째 : 핵분열성 물질: 핵분열을 통해 에너지를 방출하는 원천으로서 일반적으로 고농축우라늄과 플루토늄이 사용된다.
●두 번째 : 기폭장치: 핵분열을 매우 짧은 시간 내에 대량으로 일으킬 수 있도록 하는 장치다.
●세 번째 : 운반체제(투발수단): 핵무기를 폭발시키고자 하는 장소까지 운반하는 수단으로써 전략핵 폭격기, 대륙간 탄도미사일, 잠수함발사 탄도 미사일 등이 있다.
2. 우라늄 농축 제작
뉴스에 보면 북한이 우라늄을 농축하니 이란이 핵 제제에도 불구하고 우라늄 농축을 하니 많이 이야기가 많다.
우라늄이라는 녀석이 무엇이고 이 녀석을 농축하면 문제라고 뉴스에서 엄청 떠드는데 그 이유를 간단히 말하자면 우라늄이 농축되면 [핵 무기]가 되기 때문에 문제가 된다. 정확히 말하면 핵무기 3요소 중 핵 분열성 물질을 얻게 되는 것이다.
천연 우라늄은 자연에서 얻어질 수 있으며 전부 다 핵분열성 물질로 구성되지는 않는다. 천연 우라늄을 캐내면 그 안에 우라늄 238(U-238)과 우라늄 235(U-235)등 여러 동위원소가 섞여있는데 여기서 핵분열물질은 U-235이다. 비율로 보자면 우라늄-238(99.3%)과 우라늄-235(0.7%) 정도라고 한다.
이 U-235의 농축 비율에 따라 [저농축, 고농축, 무기급]세 가지로 분류할 수 있다.
저농축 우라늄은 일반적으로 U-235의 농도가 3~5% 정도인데, 상업용 원자력 발전소 연료 생산에 사용된다. 고농축 우라늄은 20% 이상의 농도를 지니며, 연구용 원자로에 사용된다. 그리고 문제가 되는 무기급 우라늄 농도는 90% 이상이다.
핵무기 제조와 원자력 발전의 차이점
둘 다 핵분열 반응을 이용해 강력한 에너지를 낸다는 점에서 동일하다.
핵분열이란 원자핵에 중성자를 충돌시켜 핵을 두 조각으로 쪼개는 반응을 말한다. U235에 중성자를 충돌시키면 에너지가 발생하면서 평균 2.5개의 중성자가 튀어나온다.
이때 방출된 중성자는 또 다른 원자핵과 충돌해 연쇄반응을 일으킨다. 이를 핵분열 연쇄반응이라고 한다. 핵무기는 이 과정에서 나오는 강력한 에너지를 이용한 것이다. 원자력 발전도 핵분열 반응을 이용한다.
둘의 차이점은 고농축 우라늄을 쓰냐 저농축 우라늄을 쓰는가 이다. 한꺼번에 가공할 만한 에너지를 내야 하는 핵무기와 달리 원자력 발전은 ‘가늘고 길게’ 에너지를 발생시켜야 하기 때문이다.
우라늄을 농축시키는 방법은 무엇일까?
광산에서 채광된 천연 우라늄 광물은 사용 목적을 위해 여러 단계의 공정을 거쳐서 변형된다.
먼저 광산에서 캐낸 우라늄은 이물질과 분리해서 정련공장에 보내고, 거기에서 화학적 처리를 거쳐 마지막 불순물을 제거하는데, 이 상대가 노란색 떡 같아 보인다고 해서 옐로우 케이크(Yellow Cake)라고 한다.
위에서 만든 [옐로 케이크]에서 불소를 혼합하여 기체 상태의 육 불화 우라늄(UF6)으로 바꾸어 농축시키고, 이를 여러 가지 농축 방법을 이용, U-235의 비율을 높게 만들 수 있다. 농축에는 여러 방법이 있는데 그중 가장 많이 쓰이는 게 ‘원심 분리법’이다. (원심분리법 외에도 기체확산법, 레이저농축법 등이 있다. 모두 우라늄 동위원소의 질량 차이를 이용한다는 게 공통점이다.)
알루미늄 합금이나 티타늄 합금으로 만들어진 통에 기화시킨 우라늄을 넣고 분당 5만 ~7만 회 이상의 고속으로 돌리면 질량 차이로 더 가벼운 U-235가 통 안쪽에 모인다. 가벼운 우라늄 235는 다음 원심분리기로 이동한다. 이런 행위를 수천번 반복하다 보면 우라늄이 농축이 된다.
우라늄탄 제조 때 가장 큰 어려움은 고농축 우라늄을 얻는 과정에 시간과 전기가 많이 들어간다는 점이다. 일반적으로 우라늄탄 1기에 들어가는 고농축 우라늄 25㎏가량을 얻으려면 2m 길이의 알루미늄 원심분리기 2500여 개를 1년간 돌려야 하는 것으로 보고 있다.
우라늄탄은 U235를 농축시키는 기술만 있으면 소규모 공간에서 원심분리기를 이용해 저렴하게 핵무기를 만들 수 있다고 알려져 있다.
3. 플루토늄 제작
플루토늄은 자연 상에 존재하지 않기 때문에 플루토늄탄을 만들려면 원자로와 저장용 풀, 냉각탑, 재처리 시설 등 대규모 시설이 필요하다. 여기서 나오는 연기와 방사능 물질로 인해 외부에 노출되기 쉽다.
원자로에 핵연료(저농축 우라늄)를 넣어 돌리면 핵연료 중 U-238이 중성자와 반응해 Pu-239가 만들어진다. 원자로에서 다 쓴 핵연료(사용 후 핵연료)를 꺼내 여기에서 Pu-239를 빼내는 작업이 재처리다.
재처리를 통해 무기제조가 가능한 플루토늄을 추출할 수 있기 때문에, 국제조약에 따라 영국, 프랑스, 러시아, 중국 등 일부 국가에만 재처리가 허용되고 있다. (우리나라는 재처리가 국제 조약으로 금지되어 있고 해외 위탁 재처리는 허용된다 -> 그러나 재처리에서 나오는 모든 방사선 부산물들 역시 부담해야 한다)
일반적인 재처리 방법은 사용 후 핵연료를 잘게 잘라내 질산으로 녹인 뒤 이 중 타고 남은 우라늄과 새로 만들어진 플루토늄을 분리해 내는 것으로 이를 퓨렉스 방식이라고 부른다. (이온 교환 추출 방식 : 액체를 사용하기 때문에, 습식 재처리 방식이라 부른다)
축적되는 플루토늄의 양은 원자로의 열 출력과 운전기간에 따라 다르나 일반 경수로의 경우 사용 후 핵연료의 약 1.6% 미만의 플루토늄이 생성되고 이중 약 1%가 남아있게 된다.
‘재처리’ 과정을 통해 순도 93% 이상으로 농축시키면 ‘내폭형 구조’의 플루토늄탄을 만들 수 있게 된다. 내폭형은 플루토늄을 고성능 장약으로 둘러싼 뒤 장약을 터뜨려 순간적으로 플루토늄을 압축해 밀도를 높여 임계질량을 넘기도록 하는 방식이다. 그런데 내폭형 구조는 장약을 터뜨릴 때 군데군데 나누어져 있는 플루토늄을 순식간에 동그란 구형으로 균일하게 압축시켜야 하는 난점이 있다.
국제원자력기구(IAEA)에 따르면 20kt의 위력을 내기 위한 고농축 우라늄과 플루토늄의 양은 각각 고작 25㎏, 8㎏에 불과하다. 그러나 핵무기 제조 기술이 발전하면서 최근에는 이 기준도 내려가고 있다. 우라늄탄은 고농축 우라늄 약 18㎏, 플루토늄탄은 플루토늄 6∼8㎏ 정도만 있으면 20kt의 위력을 발휘하는 것으로 현재는 보고 있다.
참고 : 우라늄으로 만든 핵무기는 초창기의 일부 외에는 굉장히 적은 편이고 현대의 핵무기는 대부분 플루토늄으로 만들어진다.
4. 글을 마치며
현대사로 넘어오면서 핵무기는 언제나 모든 이들의 관심을 모으는 인류의 무기이다. 무슨 필살기처럼 스타크래프트에도 나오고 뉴스에서도 나오는 이 것은 국제 정치 쪽에서도 필살기임에는 틀림없다. 걸핏하면 우크라이나-러시아 전쟁에서도 푸틴이 서방 세계의 간섭이 선을 넘을 것 같으면 꺼내드는 것이 핵무기이다.
너무 많이 써서 안 통할 것 같지만 통하는 것은 그만큼 이 절대적인 파괴력을 가진 핵무기가 심어준 공포가 큰 것이 아닌가 싶다.
한국에서도 이런 핵무기를 가지고 싶어 하는 사람들이 많다. 사실 한국뿐만 아니라 전 세계 누군들 이 무기를 가지고 싶어 하지 않을까 싶다. 북한을 보면 답이 나온다. 그렇게나 미국이 어르고 달래고 협박도 하고 실제로 온갖 군사적 / 경제적 제재를 수십 년간 가하지만 그럼에도 끝까지 버티고 핵무기를 결국 만드니 미국이 이제는 북한을 교섭 대상으로 여기며 함부로 대하지 않게 되었다.
핵무기라는 것은 협상 카드로 쓰기에도 너무나도 효과적이라 경제적 군사적 제제라는 크나큰 리스크만 감수할 수 있으면 얻는 것이 좋은 무기라고 생각이 든다. 그러나 동시에 너도 나도 핵을 가지게 되면 인류는 어떻게 될까 생각해 봤을 때. 마지 영화 매드맥스라는 포스트 아포칼립스의 느낌이 떠오른다.
지금처럼 최소한의 최소한만 소유하고 서로 견제하면서 아슬아슬한 평화를 구가해 나가는 것이 최선은 아니지만 차선의 국제 평화를 이루는 방법이라는 생각이 든다.
Appendix
https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EC%9B%90%EC%8B%AC%EB%B6%84%EB%A6%AC%EA%B8%B0%EB%8A%94-%EB%8C%80%ED%91%9C%EC%A0%81-%EC%9A%B0%EB%9D%BC%EB%8A%84-%EA%B3%A0%EB%86%8D%EC%B6%95-%EB%B0%A9%EB%B2%95/
https://www.korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148818861
https://dream.kotra.or.kr/kotranews/cms/news/actionKotraBoardDetail.do?SITE_NO=3&MENU_ID=180&CONTENTS_NO=1&bbsGbn=243&bbsSn=243&pNttSn=147854
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