북한 핵프로그램 (Pu 및 HEU)의 핵공학적 이해

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1 북한 핵프로그램 (Pu 및 HEU)의 핵공학적 이해
통일포럼 ATOM FOR PEACE 북한 핵프로그램 (Pu 및 HEU)의 핵공학적 이해 서울대학교 원자핵공학과 교수 강창순 2004년 4월 29일 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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발표순서 ATOM FOR PEACE 핵폭탄의 원리 및 개요 북한의 핵개발 잠재적 능력 북한 핵문제의 배경 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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원자력의 원리: 원자력이란 무엇인가? ATOM FOR PEACE E = m c2 원자력 = “질량을 에너지로 변환” 예제: 1 그람의 물질 변환 E = m c2 = (1 g) (3 x 1010 cm/sec)2 = 9 x 1020 g-cm2/sec2 = 9 x 1013 joules 3,300 톤의 석탄 연소 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

4 원자력을 어떻게 얻는가? (물질을 어떻게 에너지로 전환하는가?)
ATOM FOR PEACE 핵분열반응 핵융합반응 U-235 n 200 MeV 17.6 MeV H-3 H-2 He-4 핵분열물질 (fissile materials): U-233, U-235, Pu-239, Pu-241 핵융합물질 (fusion materials): H-1, H-2 (d), H-3 (t) U-235: 1 그람 핵분열 = 3 톤의 석탄 연소  원자폭탄 d-t 가스: 1 그람 핵융합 = 12 톤의 석탄 연소  수소폭탄 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

5 HEU (Highly Enriched Uranium) bomb:
원폭의 핵분열물질은 어떻게 생산하나? ATOM FOR PEACE HEU (Highly Enriched Uranium) bomb: 고농축우라늄 폭탄: Pu (Plutonium) bomb: 플르토늄 폭탄 U-235 (Z = 92) Pu-239 (Z = 94) 천연우라늄에서 추출 : U-238 (99.3%) & U-235 (0.7%) 원자로에서 생산 : U n1  U-239  Np-239  Pu-239 U-235 enriched Nat. U (0.7% U-235) 천연우라늄 내의 U-235 함량을 90% 이상으로 올림: 동위원소 분리. 원자로에서 나오는 사용후핵연료에서 Pu 분리: 화학적 공정 U-238 spent fuel Pu-239 농축: enrichment 재처리: reprocessing April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

6 원자폭탄의 원리: 연쇄반응 (chain reaction) 이란?
ATOM FOR PEACE U-235 (or Pu-239) + n (neutron)  fission + energy + 2 or 3 n 핵분열반응의 폭주 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

7 연쇄반응의 형태: “임계도 (criticality) ”는 무엇인가?
ATOM FOR PEACE 핵분열 지속 씨스템에 흡수/소멸 핵분열과 함께 중성자(2-3)생성 씨스템 밖으로 유출 중성자의 균형: 중성자 생성: 핵분열 (핵분열물질의 양 및 밀도) 중성자 유실: 씨스템에 흡수 (핵분열물질 외 흡수물질의 양) 씨스템 밖으로 유출 (크기, 모양, 반사체) 초임계 (super-critical): 중성자 생성율 > 중성자 유실율 (원자폭탄) 임계 (critical): 중성자 생성율 = 중성자 유실율 (원자로) 미임계 (sub-critical): 중성자 생성율 < 중성자 유실율 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

8 폭발을 일으킬 수 있는 최소질량: 임계질량 (critical mass)은 얼마나 되나?
ATOM FOR PEACE Pu 폭탄 HEU 폭탄 핵분열물질 Pu-239 U-235 모양 = 구형: 핵분열물질의 양 = 90%: 10 kg 50 kg 구형+반사체: 중성자 유실 최소화 경우: 4 kg 20 kg 구형+Tamper 및 폭약 사용: 고밀도 압축의 경우: 3 – 4 kg 15 – 20 kg 최신설계의 경우: 2.5 lb (1.14 kg) 5.5 lb (2.5 kg) April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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핵무기 개요: 초기의 원자폭탄 ATOM FOR PEACE “Little Boy”: 히로시마 투하 길이: 3 m, 직경: 0.71 m, 중량: 4 ton 15 킬로톤 (TNT 상당) HEU 폭탄 (gun-type) 핵물질 고농축우라늄 (HEU) 60 kg 사전실험: 한번도 한적이 없음 “Fat Man”: 나가사끼 투하 길이: 3.7 m, 직경: 1.5 m, 중량: 4.9 ton 21 킬로톤 (TNT 상당) Pu 폭탄 (implosion-type) 핵물질 플루토늄 (Pu) 6.1 kg 사전실험: 두 번의 성공적 실험 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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원폭 개발에 필요한 것은? ATOM FOR PEACE “천연 우라늄” – 천연우라늄에서 핵물질 (U-235, Pu) 생산 Pu 폭탄 생산을 위해서 필요한 시설: “원자로 시설” – 천연우라늄에서 Pu 생산 “재처리 시설” – 사용후핵연료에서 Pu 추출 “내폭실험 시설” – 내폭기술 실증 HEU 폭탄 생산을 위해서 필요한 시설: “농축 시설” – 천연우라늄에서 고농축우라늄 (HEU) 생산 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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북한의 천연우라늄 원광 ATOM FOR PEACE U 광산: Unggi Hungnam Pakchon Sunch’on P’yongsan U 매장량 : 예상 매장량: 26 억 톤 경제적 가채량: 4 억 톤 채굴량(‘82–‘92): 톤 U 제련소: Kusong P’yungsan April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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북한의 Pu 생산 능력 (원자로 현황) ATOM FOR PEACE ITR-2000 : 영변에 위치한 고농축우라늄 사용 연구로 (러시아로부터 대여) 1965년 가동시작(2 MWt), 1987년 8 MWt로 출력 증강 1975년 수 밀리그람의 Pu 생산 및 추출 시험 Yongbyon 1: 개스냉각, 흑연감속, 천연U-연료 5 MWe (25 MWt) 시험용 동력로 1985년 가동시작, 1994년 IAEA 에 의해 동결 2000년 8,000 개 사용후핵연료봉 밀봉 완료 기타 원자로 보유 현황: Yongbyon 50 MWe (건설 중단 상태) Taechon 200 MWe (건설 진행된바 없음) Sinp’o 2x1,000 MWe (KEDO project: PWR) April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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북한의 Pu 추출 능력 (재처리 설비 현황) ATOM FOR PEACE “방사화학시설” 영변에 위치하고 있으며, 1986년 건설개시 1990년 hot cell 이용 Pu 90 g 추출 IAEA 예측: Pu 추출 활동 – 1991 재처리 시설 (?) Kumchang-ri (underground) P’yongsan April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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북한의 Pu 보유량 예측 ATOM FOR PEACE IAEA Pu 재처리 예측량 (최대): 24 kilograms 근거: 핵폐기물 쌤플 검사 5 MWe 영변 1 호기 연간 생산량: 6 kg/year 총생산량: (6 kg/year) x (4 years) = 24 kg 남한의 예측: kilograms 일본의 예측: kilograms 러시아의 예측: 20 kilograms 미국의 예측: 12 kilograms 기존 밀봉된 8,000 개 폐연료봉 재처리 활용 시: 30 kilogram Pu 추가 생산 가능 Yongbyon 50 MWe 와 Taechon 200 MWe 건설 완성 시: 연간 200 kilograms Pu 생산 가능 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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북한의 HEU 생산능력 (농축 시설) ATOM FOR PEACE 가스원심분리기술 (Gas-Centrifuge Technology) 가스원심분리기: 30 cm 지름; m 높이; < 12 mm 두께 고강도금속: Al, Ti, maraging steel 회전자: 500 m/sec 회전속도 주파수변조기: Hz to 600-2,000 Hz 기당 분리능력: 30 g HEU/년 60 kg HEU 생산: 2,000 기 이상 연간 계속 운전 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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핵폭탄의 운반체 ATOM FOR PEACE “W78” 335 kiloton (원추형) 높이: 1.8 m, 바닥 직경: m 3 기를 Minuteman III 미사일에 장착 “W54” 0.01 kiloton (휴대용) 총중량: kilograms 120 mm 무반동총에 장착 April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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핵폭탄 개발 관련 보조 자료 ATOM FOR PEACE 최신 핵폭탄: 장기간의 고비용의 연구 및 시험이 필요함. 핵무기 장착 및 운반체: 훨씬 고도의 기술 및 비용이 필요함. 핵무기 개발을 위한 미국 정부 예산: 1940 부터 1996 까지: 5.5 조 dollars 1998 연간 예산: 350 억 dollars April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

18 북한 핵프로그램의 배경 (1) (1994 Geneva Agreed Framework 체결 전)
ATOM FOR PEACE 핵비확산조약 (NPT: Nuclear Nonproliferation Treaty) 가입. IAEA 안전조치협정 (IAEA safeguards agreement)에 세가지 조건 제시. 그 내용은; (1) 남한에서 모든 미군 소유 핵무기 철수. (2) 한미 Team Spirit 군사훈련 중단. (3) nuclear weapon states 태도에 따라 언제든지 핵사찰 탈퇴. 미국 남한으로부터 모든 핵무기 철수 발표. 북의회 IAEA 안전조치협정 비준. 16회에 걸친 IAEA의 임시사찰결과 북한 신고내용에 모순 발견. - 북한이 수행한 재처리는 1990년 1차례라고 보고한 것이 거짓으로 밝혀짐. - 폐기물 분석을 통하여 년에 재처리를 수행한 것으로 밝혀 짐. 북한 핵무기 보유 가능성에 따른 국제사회 긴장조성 - IAEA 1개월 내 미신고 시설 특별사찰 수용 요구 결의안 채택 - 북한 NPT 탈퇴 선언. 북한 사찰단 도착 전에 사용후핵연료 이송. - 사찰단 더 이상 8,000 개 핵연료봉 감시 불능 선언 북한 철수. April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

19 북한 핵프로그램의 배경 (2) (1994 Geneva Agreed Framework 체결 후)
ATOM FOR PEACE 제네바 북미 일괄타결 (1994 Geneva Agreed Framework): (1) 흑연감속로 대체: 2기 1,000MW 경수로 제공, 경수로 가동 시까지 연간 500,000 톤의 중유 공급. (2) 투자 및 무역 장벽 줄여 경제 및 정치 관계 정상화 노력. (3) 한반도 비핵화 달성 노력. (4) 북한은 NPT 회원으로 잔유, 비확산 체제 강화 노력. 1994 Agreed Framework 준수 감시 위해 IAEA 핵사찰단 파견. 북한 IAEA 사찰단 쌤플 채취 거절. CIA Pu 폐기물 사찰단으로부터 은폐 지하에 저장 의심. 1994년 이후 영변의 주요 부품 및 장비 실종 IAEA 보고. (이 부품 및 장비는 다른 핵시설 (지하?)에 이동 사용될 수 있음.) April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

20 북한 핵프로그램의 배경 (3) (1994 Geneva Agreed Framework 파기 후)
ATOM FOR PEACE 북한 외무성 제1부상 강석주가 켈리 특사에게 핵무기 프로그램 (특히, 고농축우라늄 사용) 추진 시인. 8,000개 밀봉 폐핵연료봉 밀봉 제거 및 감시 카메라 제거. IAEA 감시원 국외 추방 명령. 북한 NPT 일방적 탈퇴. UN 안전보장이사회 북한 상황에 대하여 우려 표현. 1. 현재까지 IAEA는 핵사찰을 통하여 북한의 원자력 프로그램의 평화적 이용을 확인할 수 없었음. 2. HEU를 이용한 핵무기 개발 프로그램은 사찰을 통한 검증 절차가 거의 불가능함으로 확인하기가 더욱 더 힘 들음. April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY

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결론 ATOM FOR PEACE 핵무기 개발에는, 기술 및 핵물질 (Pu, HEU)이 필요하다. 단순한 원폭을 제조하는데, 기술은 문제가 되지 않고, 핵물질의 확보가 중요한 요소이다. 북한의 핵무기 개발 여부는 기술적 잇슈라기 보다는 정책적 결정에 달려 있다. 확인되지 않았다 할지라도, 북한은 몇 개의 원자폭탄을 보유하고 있다고 가정하고 제반 정책을 추진하는 것이 보수적이라 할 수 있다. April 29, 2004 SEOUL NATIONAL UNIVERSITY