파이로 개발 위한 大전략

파이로 개발 위한 大전략

 “안 돼요, 돼요, 돼요…”

한미원자력협정 개정 협상 카운트다운!

 

이정훈 편집위원 | hoon@donga.com

 

● 기폭장치 개발 없는 핵무기는 없다
● 파이로는 사용후핵연료 양 획기적으로 줄이는 기술
● 상업적으로는 아직 누구도 성공하지 못해
● 습식재처리에 진력했으나 성공 못한 일본…한국은?

2016년 3월 19일 효력을 상실하는 현 한미원자력협정을 대체할 새 한미원자력협정에 많은 관심이 쏠린다. 양국의 정치 일정상 2015년 3월까지는 합의돼야 하는 새 협정에 우리는 ‘한국 재처리 가능’이란 표현이 삽입되길 바라지만, 미국은 ‘전혀 아니올시다’이기 때문. 우리의 목표는 말장난 같지만, ‘재처리는 못해도 재활용은 받아내자’는 것인데, ‘미국은 재활용이 재처리 아니냐’고 의심한다.

이 협상을 이끄는 한국 대표는 외교부의 박노벽 대사다. 그는 한국 원자력계의 조력을 받아가며 토머스 컨트리맨 미 국무부 국제안보·비확산 담당 차관보 등과 4년째 협상을 진행해왔다. 그러나 조심스러운 나머지 협상이 어떻게 진행되고 있는지 도무지 설명하려 하지 않는다. 미국에 우리 속을 보일 수도 있어 기피하는 것인지도 모른다.

이것이 역작용을 낳았다. 미국으로부터 재처리 동의를 받아내지 못했기 때문이라는 여론이 조성된 것. 미국은 어떤 경우든 한국에 재처리를 허용하지 않을 것이니 이 짐작은 옳다. 유엔은 ‘P-5’로 불리는 안전보장이사회 5대 상임이사국에만 군사용 핵무기 제조를 허용하고 있다. 그러나 현실에서는 “안 돼요, 돼요, 돼요…”처럼, ‘긍정의 노(No)’도 있다는 것을 잊지 말아야 한다.

이 협상에서 박 대사는 무엇을 어떻게 챙겨왔는가. 이를 살펴보려면 원자력의 A to Z를 알아야 한다. 이와 함께 박 대사를 앞세워 한국 원자력계가 받아낼 수 있는 것이 무엇인지 살펴보기로 한다.

 

기폭장치 개발이 핵심

우라늄은 자연계에 있는 원소 가운데 가장 무겁다. 우라늄에는 우라늄 232에서 238까지의 동위원소가 있는데, 이 중 가장 많은 것이 우라늄 238이다. 숫자 238은 질량을 나타낸다. 우라늄 238은 전체 우라늄에서 99.3%를 차지하기에, 우라늄의 질량은 238로 통칭한다. 그다음으로 많은 것이 0.7% 존재하는 우라늄 235다. 234 등 나머지는 ‘너무너무 적어’ 따로 카운트하지 않는다.

이 가운데 핵폭발이라고 말하는 ‘핵분열’을 일으키는 것이 235다. 중성자는 수소를 제외한 모든 원소의 핵에 들어 있는 입자다. 이 중성자가 우라늄 235를 때리면, 우라늄 235가 깨지면서, 품고 있는 중성자 2~3개를 내놓으며 강력한 열을 낸다. 우라늄 235는 핵이 분열되면서 에너지를 내기에, 원자력을 ‘핵분열 에너지’라고 하는 것이다.

자연 상태에서 우라늄 235는 절대 핵분열을 하지 않는다. 농도를 높이는 ‘농축’을 해줘야만 한다. 자연 상태에서는 0.7%에 지나지 않는 235의 비율을 7%→17%→77% 식으로 농축하다보면 재밌는 현상이 발견된다. 90% 이상 농축하면 20kg만 있어도 핵분열하지만, 30%대 농축에서는 수십 t이 있어야 한다. 농축도에 따라 결정되는 핵분열 질량을 ‘임계질량’이라고 한다.

핵무기는 미사일에 올려야 하니 90% 이상으로 농축한다. 그런데 이 우라늄은 20kg만 있어도 바로 핵분열하니 문제가 된다. 적국(敵國)에 날아가서가 아니라 농축하는 나라에서 터져버리는 것. 따라서 임계질량이 되지 않도록 잘게 쪼개놓는 것이 중요하다. 이 미사일이 발사돼 적국에 도달했을 때 합체해, 핵분열하게 하는 것이다.

자국에서 다룰 때는 임계질량에 이르지 못하게 하고, 적국에 도달할 때만 임계질량이 되게 해주는 장치를 ‘기폭(起爆)장치’라고 한다. 이때 중요한 것은 100만분의 1초 이내에 기폭을 하게 하는 것이다. 이 시간을 넘기면 이 핵탄두는 핵무기로서의 기능을 상실한다. 핵분열을 해 방사성 물질은 뿌리지만, 위력이 한참 미달하는 ‘더티 밤(dirty bomb)’이 되는 것이다.

기폭장치 개발은 농축이나 재처리보다 어렵다고 한다. 기폭장치는 정교하니 덩치가 크다. 1t에 육박한다. 따라서 완성된 핵탄두의 무게는 1t이라는 통설이 형성됐다. 1t짜리 핵탄두를 싣는 미사일은 어머어마한 크기여야 한다.

2013년 발사에 성공한 나로호는 길이 33m에 무게 140t이지만 탄두로 볼 수 있는, 싣고 간 위성의 무게는 100kg에 지나지 않았다. 그러니 나로호는 핵탄두를 싣는 대륙간탄도미사일(ICBM)이 될 수 없다. 100만분의 1초 이내에 작동하는 1t 이하의 기폭장치 개발은 매우 어렵다.

 

플루토늄이 포함된 超우라늄

북한은 우라늄을 농축해 핵무기를 만들지 않았다. 재처리를 통해 제작했다. 미국이나 러시아 등 기존 핵 보유국도 대부분 재처리로 핵무기를 만들었다. 재처리가 핵무기 제조의 주된 루트가 된 데는 그럴 만한 이유가 있다.

한국이 많이 운용하는 경수로는 우라늄 235를 5% 정도로 농축한 것이다. 한국 경수로는 이러한 핵연료를 무려 75t 장전하지만, 임계질량 부족으로 핵분열하지 않는다. 따라서 ‘조작’을 한다. 인위적으로 중성자를 쏴 235를 분열시키는 것이다.

인위적으로 쏴준 중성자가 원자로 안을 마구 돌아다니다가 100분의 5 확률로 235와 충돌하면, 235가 쪼개지면서 강력한 열과 함께 방사선이 나온다. 방사선은 원자로로 차단하고, 열로는 물을 끓여 증기를 만들고, 그 증기로 발전기를 돌리는 것이다.

중성자를 맞은 우라늄 235는 품고 있는 중성자 2~3개를 방출하니, 원자로 안에서는 중성자가 급증해 더 많은 235가 분열된다. 그에 따라 열이 빠르게 높아지는데, 극도로 심해지면 원자로가 녹는 ‘용융’이 일어난다. 사고(事故)가 일어나는 것. 이를 막으려면 중성자를 잡아먹는 물질을 넣어 적정 수의 중성자만 돌아다니게 한다. 이 물질이 바로 가돌리늄과 붕소다.

원자로 안에는 물을 넣어 핵연료에서 나오는 열을 받아내는데, 이 물에 붕소를 타 붕산수를 만든다. 마구 늘어나는 중성자는 붕산수가 대체적으로 제어한다. 그리고 가돌리늄을 품은 막대기인 ‘제어봉’을 원자로 안에 넣었다 뺐다 하며 미세 조절을 해, 원자로에서 일정한 출력(열)이 나오게 한다.

원자로를 가동할 때 95%를 차지하는 우라늄 238도 중성자를 맞는다. 238은 대체로 중성자를 튕겨내지만 가끔은 먹어버린다. 중성자의 질량은 1이니 중성자를 먹은 우라늄 238의 질량은 239가 된다. 자연계에는 없는 더 무거운 물질이 되는 것인데, 이것이 바로 플루토늄이다. 극미량 존재하는 우라늄 233, 234 등도 중성자를 받아 새로운 물질이 되는데, 이를 ‘초(超)우라늄’이라고 통칭한다. 플루토늄도 초우라늄에 포함된다. 그리고 쓰레기인 ‘핵분열 생성물’도 생겨난다.

재처리는 플루토늄만 긁어내는 것이다. 이것이 우라늄 235를 농축하는 것보다 쉬워서 대부분의 핵무기 보유국은 사용후핵연료 재처리로 얻은 플루토늄으로 핵무기를 만들었다. 현실이 이러하니 미국 등 원자력 기술을 전수하는 나라들은 어떠한 경우에도 재처리와 농축을 하지 못하게 한다.

 

 

고준위폐기물 줄여라

미국의 기술을 받아 원자력 발전을 시작한 나라는 사용후핵연료를 쌓아놓고만 있어야 하는 것이다. 여기에 심각한 문제가 있다. 사용후핵연료는 방사선과 함께 발전(發電)을 하기에는 모자라지만 물은 충분히 끓일 수 있는 열을 오랫동안 방출한다.

방사선은 5m 정도 깊이의 물은 통과하지 못한다. 그 때문에 사용후핵연료를 물을 넣은 수조에 담아놓는다. 사용후핵연료에서 나오는 열은 50여 년이 지나면 상당히 떨어지니, 50년 이상 수조에서 보관하는 것이다.

그리고 꺼내 용기에 담아 ‘건식(乾式) 보관’을 하거나 사람이 접근하기 어려운 지하 500~1000m 깊이의 암반동굴에 넣어 매립해버린다. 동굴에 매립하는 것을 ‘영구처분’이라고 한다.

미국은 땅이 넓고, 불모지인 사막도 많으니 영구처분장을 지을 수 있다. 그러나 한국은 인구밀도가 매우 높고 불모지가 없어, 영구처분장 될 곳 찾기가 쉽지 않다. 그래서 궁여지책으로 주목하게 된 것이 재처리다. 재처리를 하면 가장 많은 초우라늄인 플루토늄은 핵연료로 재사용하고 기타의 초우라늄과 핵분열 생성물은 긁어내 따로 관리하니, 고준위 폐기물이 크게 줄어든다.

고준위 폐기물은 사용후핵연료의 5%를 차지한다. ‘독종’들이 빠진 사용후핵연료는 100여 년 보관하면, 방사선 농도가 자연방사선 정도로 떨어지는 중준위 폐기물이 된다. 따라서 100여 년 뒤에는 처분장에서 꺼내 다른 용도로 재활용하거나, 김포매립장 같은 일반 쓰레기매립장으로 보내도 된다.

플루토늄을 뺀 초우라늄 물질과 핵분열 생성물은 ‘진짜’ 고준위 폐기물이니 이것들만 영구처분한다. 이것에서도 강한 방사선과 함께 열이 나온다. 이 열은 100여 년 동안 지속되니 그 기간 물에 담그는 식으로 냉각했다가 꺼내 액체 유리와 섞어 식힘으로써 고체화한다(유리화). 유리화를 하는 이유는 천재지변이 일어나도 이것들이 유리 속에서 나오지 못하기 때문이다. 유리화를 하면 이론상으로는 부피가 20분의 1로 줄어드니, 한국은 처분장 스트레스에서 벗어날 수 있다.

그런데 미국은 플루토늄으로 핵무기로 만들 수 있다며 재처리에 결사반대한다. 이 반대를 기막히게 뚫고 들어간 나라가 있다. 제2차 세계대전 때 원자폭탄을 맞고 항복한, 전범(戰犯)국가 일본이다.

일본은 정교한 ‘원자력 외교력’을 발휘했다. 미국 등의 의심을 없애기 위해 1967년 일찌감치 ‘핵무기를 제조도, 보유도, 반입도 하지 않는다’는 비핵 3원칙을 발표해놓고 재처리에 도전했다.

 

 

재처리 향한 일본의 전략

사용후핵연료에서는 강한 열과 방사선이 나오므로, 재처리는 ‘핫셀(hot cell)’에서만 한다. 핫셀은 방사선과 열을 막는 두께 2m 정도의 벽을 만들고, 그 벽에 방사선과 열을 막는 유리로 창을 낸 후, 그 창으로 들여다보며 로봇 팔 등을 이용해 작업하는 곳이다.

전통적인 재처리는 사용후핵연료를 균일하게 자르는 것으로 시작한다. 그리고 질산을 담은 용기에 넣어 녹인 다음, 성분별로 분류를 한다. 그런데 질산이 워낙 독하기에 용기가 녹기도 한다. 용접을 했거나 그릇 모양을 만들기 위해 구부린 곳이 약해져 질산이 새버리는 것이다.

이렇게 되면 방사성 물질도 함께 나가니, 용기 밑의 시설은 질산과 방사성 물질 양쪽으로부터 ‘공격’ 당하게 된다. 원자로 용융보다 더한 사고가 일어나는 것. 이것이 재처리를 할 때 맞을 수 있는 큰 난제인데, 미·소는 물론이고 후발주자인 영·불은 숱한 시행착오를 겪으며 해결책을 찾아냈다.

그때의 재처리는 핵무기 제조를 위한 것이라 소량만 했다. 소량의 질산을 다루는 것은 다량의 질산을 다루는 것보다 쉽다. 후발주자인 영국과 프랑스는 블루 오션을 보았다. 여러 나라가 늘어나는 사용후핵연료 처리 문제로 고민하는 것을 보고 민간용 재처리 시설을 만들려고 한 것. 상업용 원자로에서 나오는 사용후핵연료는 양이 많으니 대용량의 재처리 시설을 지어야 한다.

 

 

프랑스에 편승

프랑스는 셸부르에, 영국은 셀라필드에 그 공장을 지었다. 프랑스에서는 문제가 없었는데 영국에서는 용기에서 질산이 새는 사고가 일어나, 영국은 본 가동 얼마 후 이 공장 가동을 멈춰버렸다(현재까지도). 두 나라가 공장을 지으려 할 때 비핵화선언을 한 일본은 ‘해외 위탁 재처리’를 핑계로 투자를 했다. 두 나라 공장이 완성되면 일본의 사용후핵연료를 보내 재처리하겠다며 ‘선금’을 내놓은 것이다.

이 투자 금액은 지금까지도 비밀이다. 전문가들은 건설비용의 4분의 1을 일본이 부담했을 것으로 본다. 일본이 롯카쇼무라에 완공한 재처리공장의 건설비용이 20조 원 정도니, 지금 환율로 따지면 양쪽에 각각 5조 원 정도를 투자했을 것으로 본다. 그리고 성공한 프랑스로부터 기술을 받아 롯카쇼무라에 재처리공장을 지었다. 그때도 교묘한 책략을 구사했다.

결과적으로 실패한 영국은 물론이고 투자한 적이 없는 미국도 ‘환심을 사기 위해’ 건설에 참여시켜 돈을 벌 수 있게 해준 것이다. 미국은 그렇게 나오는 일본이 기특했는지 비군사용을 전제로 ‘재처리는 물론이고 농축도 할 수 있도록’ 미일원자력협정을 개정해줬다(1988년).

2010년 일본은 롯카쇼무라 공장을 완공했다. P-5가 아닌데도 합법적으로 농축과 재처리 공장을 가진 유일한 나라가 된 것이다. 이 공장은 프랑스 것보다 최신형이었다. 그런데 시험 가동만 하고 본가동은 하지 못하고 있다. 일본은 그 이유를 밝히지 않고 있는데, 전문가들은 유리화 과정에 문제가 일어난 것으로 본다. 질산 용기에만 주목하다 복병을 만났다는 것이다.

일본은 너무 앞서나갔다. 플루토늄 핵연료를 쓰는 원자로가 극소수란 점을 경시한 것이다. 그런데 플루토늄을 이용한 핵연료(MOX 연료라고 한다)를 제작한다고 하니 경제성도 없고 국내외 여론이 좋지 않다. 유리화가 완벽하지 못한 상태에서 후쿠시마 사고가 일어나 계속 점검만하고 있다.

질산을 이용해 핫셀에서 재처리하는 것을 ‘습식(濕式)재처리’, 전문용어로는 PUREX라고 한다. PUREX는 ‘플루토늄 우라늄 추출’이라는 뜻의 ‘Plutonium-URanium EXtraction’을 줄인 것이다. 최신인 롯카쇼무라의 실패로 습식 재처리는 완전하지 않다는 평가를 받게 되었다. 일본의 치열한 노력은 절반의 실패로 귀결된 것이다. 그 때문에 세계는 질산을 쓰지 않는 ‘파이로 프로세싱’을 대안으로 삼게 되었다.

 

 

감시자를 짝으로 삼은 한국

파이로(Pyro)는 그리스어로 불(fire)을 뜻한다. 절단한 사용후핵연료를 여러 번 태우면 가루가 된다. 그 과정에서 독한 ‘핵분열 생성물’은 기체가 되는데, 이는 필터로 포집(捕執)할 수 있다. 기체상태로 포집된 핵분열 생성물은 반감기가 짧아져 중준위 폐기물이 된다. 그리고 남는 것이 95% 정도의 우라늄 238과 플루토늄이 포함된 초우라늄 1~2%이다.

여기에서 초우라늄을 뽑아내, 파이로 프로세싱으로 추출한 우라늄 238이나 신선한 우라늄 238과 3대 7의 비율로 섞어 핵연료를 만든다. 이는 플루토늄만 긁어내는 ‘재처리’와 달라, 우리는 ‘재활용’이라 한다. 그리고 파이로 프로세싱으로 처리한 우라늄 238도 재사용하니, 유리화를 해야 할 고준위 폐기물은 제로에 수렴할 정도로 적어진다.

플루토늄이 포함된 초우라늄을 30% 내포한 핵연료는 일반 중성자보다 훨씬 빨리 움직이는 ‘속(速)중성자’를 쏴줘야 핵분열한다. 속중성자를 쓰는 원자로를 ‘고속로’라고 하는데, 고속로는 지금의 경수로보다 훨씬 센 출력이 나온다. 이 고속로는 물이 아닌 소듐(나트륨)으로 열을 뽑아내, 그 열로 증기를 만들어 발전하기에, ‘소듐고속로’란 이름을 갖게 됐다.

지금의 원자로를 3세대 원전이라 하는데, 소듐고속로는 4세대 원전으로 꼽힌다. 소듐고속로와 경쟁할 다른 4세대 원전이 ‘고속증식로’다. 이 원자로는 우라늄 238이 중성자를 먹으면 플루토늄이 된다는 원리를 이용한다.

95% 정도를 차지한 우라늄 238이 중성자를 받아 플루토늄이 될 조건을 만들어주고, 이 플루토늄도 핵분열하게 함으로써 아주 오래 에너지를 뽑아내는 것이다. 이 원자로도 속중성자를 사용한다. 핵분열을 할수록 플루토늄이 늘어나기에(증식), 고속증식로로 불리게 됐다.

이론상 파이로 프로세싱을 하면 고준위 폐기물은 생기지 않는다. 그러나 실제로 해보면 약간의 초우라늄 등이 남을 수 있으니 이들만 영구처분하면 된다. 4세대 원전용 핵연료 제작에 적합한 파이로는 액체(질산)를 쓰지 않기에 ‘건식(乾式) 재처리’로 불린다.

파이로도 미국에서 먼저 연구했다. 그런데 미국에는 습식 재처리시설이 충분한 데다 사용후핵연료를 보관할 불모지도 많아, 전력을 기울이지 않았다. 그 때문에 원리만 밝혀놓고 멈췄는데, 한국이 이를 받아 연구에 나선 것이다.

이어 인도 중국 일본 프랑스 등도 비슷한 이유로 도전하게 됐다. 최근에는 미국도 파이로가 습식보다 낫다고 판단해 다시 연구를 하려 한다. 한국은 이러한 변환을 한미원자력협정 개정의 포인트로 삼으려 한다. 일본이 프랑스를 파트너로 삼아 습식 재처리를 추진했다면, 우리는 ‘감독관’인 미국을 짝으로 삼아 건식 재처리 기술을 개발하겠다는 것이다.

이를 위해 한국은 한반도비핵화공동선언(1992년)을 국시(國是)처럼 이행해왔다는 것을 강조한다. 파이로 연구는 미국에서 하겠다고 제의했다. 미국은 많은 핵무기를 개발해봤기에 핵 연구의 천국이다. 한국에는 핫셀이 원자력연구원에만 있지만, 미국에는 3000개 소에 있다. 미국은 한국의 돈과 인력으로 파이로를 같이 개발할 수 있으니 역시 이득을 볼 수 있다.

 

 

99% 성공은 실패인가, 성공인가

미국은 사용후핵연료를 절단한 다음 반복해서 태워 기체로 바뀐 핵분열 생성물을 포집하는 것까지는 허가하려고 한다. 그러나 초우라늄을 추출해 우라늄 238과 섞어 새로운 핵연료를 만드는 것에 대해서는 ‘초우라늄 추출이 곧 플루토늄 추출이 아니냐’며 거부한다. 이에 대해 한국은 기폭장치가 없으면 플루토늄을 추출해도 핵무기가 되지 않는다는 점과 한국은 비핵화선언에 따라 기폭장치를 개발하지 않는다는 점을 들어 미국을 설득하고 있다.

파이로 개발을 관철하기 위해 한국은 ‘농축을 해야 한다’는 주장은 거의 하지 않는다. 미국을 안심시키기 위해서다. 미국은 논리가 달리기에 조금씩 양보를 해왔다. ‘재처리는 무조건 안 되지만 고준위를 줄이기 위해 파이로를 연구할 수 있게 해준다. 이 연구가 성공하면 그때 한국에 파이로 공장을 짓는 것을 검토하자’는 것이 미국의 대체적인 의견이다.

그런데 믿을 수 없는 것이 사람이다. 미국은 성공을 근거로 한국에 파이로 공장 건설을 허용할 수 있다고 하지만, 맘이 바뀌면 다른 소리를 할 수도 있다. 1%의 부실을 근거로 성공을 부인할 수도 있는 것. 한국 원자력계와 박 대사는 그 대책 마련에 부심해왔다. 그 때문에 ‘99% 성공은 실패가 아니라 성공이다’는 것을 분명히 해 ‘다음 단계로 가게 한 후 1%를 해결하게 한다’는 조항을 부속서에 넣기 위해 애를 써왔다.

이것이 바로 한국의 ‘안 돼요, 돼요, 돼요’ 전략이다. 이러한 노력을 해온 박 대사에게 박수를 쳐야 할까, 야유를 보내야 할까. 그리고 한국은 일본과 달리 실패하지 않고 파이로를 개발할 수 있을 것인가.