‘핵잠수함’ 건조 기술력 이미 확보한 한국… ‘OO’ 없어서 개발 못한다고?

지난 2020년 10월경 미국에서는 “한국이 절대 핵잠수함을 개발하도록 두어서는 안 된다.”라는 군사 전문가들의 반응이 터져 나왔습니다. 알려진 바에 따르면 10월 6일, 한국 정부는 본격적으로 핵 추진 잠수함 개발에 나서기로 한 뒤 미국에 핵연료를 공급받기 위해 구매 의사를 타진했는데, 소식이 전해지면서 저러한 반응이 터져 나온 겁니다.

미국을 방문한 김현종 당시 청와대 국가안보실 2차장은 “한국 정부는 2030년까지 핵잠수함을 개발 완료해 실전에 투입하겠다.”라며 그 필요성과 계획을 설명한 후 저농축 우라늄 핵연료를 공급받고 싶다고 전했는데, 미국이 이에 대해 난색을 보였습니다.

실제로 그건 긴가민가했던 핵잠수함 개발에 대해 한국 국방부는 ‘2021-2025 국방중기계획’에 4,000톤급 핵잠수함 도입 가능성을 명시했고, 국가안보실 차장은 미국에 날아가 핵잠수함 운영에 필요한 핵연료 공급을 요청했으니, 이제 한국 핵잠수함 개발은 후퇴할 수 없는 사업이 됐습니다.

어쨌든 이러한 소식이 전해지면서 미국의 군사 전문가들은 하나같이 실현 가능성이 없다면서 반대 의사를 표했는데요. 대표적으로 미국 랜드연구소의 ‘브루스 베넷’ 선임연구원은 “미국은 앞으로도 한국의 핵 추진 잠수함 도입을 반대할 것”이라며 우회적으로 반대의견을 표했고, 주한미군 특전사령부 작전참모 출신 ‘데이비드 맥스웰’은 “한국은 핵잠수함이 필요하지 않다.”라고 단호하게 말을 잘랐죠.

그런데 우리나라 핵잠수함 개발에 대해 상당히 많은 오해가 있습니다. 가령 “한국은 미국과 체결한 원자력 협정 때문에 고농축 우라늄을 만들 수 없어 핵잠수함을 개발할 수 없다.”라거나 “핵잠수함에 핵무기를 탑재하기 위해서 만드는 것”이라는 등등의 의견인데, 이번에 이런 오해와 사실, 그리고 한국이 핵과 관련하여 개발한 세계 최초의 기술 하나를 소개해 드릴까 합니다.

안녕하세요? 디씨멘터리입니다. 보통 방사성 폐기물, 즉 방폐물이라는 용어를 들으면 발전소에서 사용하고 남은 핵연료를 떠올립니다만, 이는 방폐물의 아주 일부에 불과합니다.

정확히 말하자면 방사선이 사용되는 모든 곳에서 방사성 물질이 일정 농도 이상으로 묻어있거나, 방사성 물질에 노출되어 배출되는 모든 물질은 의미합니다. 전기를 생산하는 원자력 발전소는 물론이고, 병원, 연구기관, 산업체 등에서도 방사선이 사용되며 이 과정에서도 폐기물이 생깁니다.

그 폐기물 중 방사선의 세기가 약한 것은 ‘저준위 폐기물’이라고 부르고, 그 세기가 강한 것은 ‘고준위 폐기물’이라고 합니다.

가장 일반적인 저준위 폐기물은 원자력 발전소에서 근무하는 직원들이 발전소에서 사용하는 옷, 장갑, 덧신 등이 포함되고 발전소 운영을 위해 필요한 부품들이 대부분입니다. 직접적으로 방사선에 노출되지는 않지만, 어느 정도 노출이 불가피하죠.

고준위 폐기물은 전기 생산을 위해 원자로에 핵연료를 넣고 사용한 뒤 꺼낸 ‘사용 후 핵연료’가 대부분입니다.

원자력안전법 시행령에서는 “고준위 방사성 폐기물이란 열 발생량이 세제곱미터당 2킬로와트, 반감기 20년 이상인 알파선을 방출하는 핵종으로, 방사능 농도가 그램당 4,000베크렐 이상인 것”으로 규정하고 있는바, 장기간에 걸쳐 강한 방사선을 방출하기 때문에 방폐물 중 가장 위험한 폐기물이고, 특히 조심스럽게 다뤄야 합니다.

이런 방폐물들은 어쨌든 방사선을 방출하기 때문에 이를 인간의 거주지와 완전히 격리된 공간에 처분해야 하는데요.

저준위 폐기물을 처분하는 방식 중 가장 일반적인 것은 ‘천층 처분’, 즉 지표 위에 땅을 얕게 판 다음 콘크리트로 처분고를 만들어 폐기물을 채웁니다. 그리고 처분고가 다 차면 그 사이에 몰타르 등을 채운 후, 그 위에 점토, 모래, 자갈, 아스팔트 등으로 다중방수 복토층을 만들어 방사성 물질의 노출을 방지합니다. 또는 인위적으로 지하 동굴을 만든 후 방벽을 세워 보관하는 ‘동굴 처분’ 방식도 있습니다.

해당 국가의 지형에 따라 처분 방식도 달라지는데, 프랑스, 미국, 영국, 일본은 땅을 파는 천층 방식을, 독일, 스웨덴 등은 동굴에 처분하는 방식을 선택했습니다. 한국 역시 2014년 말 경북 경주의 해안가 근처에 130m 깊이의 방폐물 처분장을 운영하고 있으며, 추가적으로 땅 위에 처분하는 천층 방식도 논의 중입니다. 고준위 폐기물 처분장은 아직까지 운영되고 있지 않으며 핀란드와 스웨덴만이 고준위 폐기물 부지만 확보한 상황입니다.

한국에서 발생하는 고준위 폐기물은 ‘사용 후 핵연료’가 대부분인데, 현재 원전을 운영하며 발생한 사용 후 핵연료는 발전소 내 수조에 별도로 보관하고 있죠.

이렇듯 원자력 발전소는 가장 효율적인 전기 생산 시설이지만, 가장 효율적인 만큼 방사능 유출이라는 가장 치명적인 단점을 갖고 있습니다.

이미 여러분도 체르노빌 사고나 후쿠시마 원전 사고가 인류에게 얼마나 아픈 상처를 남겼는지 잘 알고 계실 텐데요. 그런데 국내 연구진이 세계적인 난제로 꼽혀온 방사성 요오드의 누출 및 이동을 99% 이상 차단할 수 있는 천연물질을 발견해 냈습니다.

핵이 분열할 때 발생하는 핵종 중 ‘방사성 요오드’라는 물질이 있습니다. 이 물질의 반감기는 고작 8일에 불과해 발생 후 8일이 지나면 절반으로 감소하고, 다시 8일이 지나면 그 절반인 4분의 1로 감소합니다. 반감기는 아주 짧지만, 후쿠시마 원전 폭발과 같은 폭발 사고 초기에는 상당한 문제를 야기할 수 있는 대표적인 물질이기도 합니다.

다만, 이를 극소량으로 조절해 사용하면 갑상선 암 등의 질병 치료에 사용될 수 있으나, 적정량을 넘어서면 오히려 갑상선 암을 발생시키는 양면성을 가졌죠.

그런데 이 물질의 가장 큰 특징은 우라늄이나 세슘 등과는 달리 음이온의 성질을 지녀 사용 후 핵연료를 감싸는 점토질 완충재나 주변 암석에 흡수되지 않고 빠르게 이동하는 특징을 가졌습니다.

그래서 이 방사성 요오드가 외부로 유출되지 않도록 빠르게 흡수시키는 방법에 대한 문제가 기술적으로 해결되지 못한 상태였는데, 한국 원자력연구원의 이승엽, 권장순 박사가 이를 해결해 인류 최대 난제 중 하나를 해결했습니다.

연구팀은 지난 5년간의 연구 끝에 방폐물을 보관하는 구리 용기가 부식되면 구리이온이 생성되고, 이 물질이 지하수의 탄산 이온을 만나면 천연 광물인 ‘공작석’이 자연 생성된다는 사실을 발견했습니다. 하지만 이보다 더 놀라운 것은 이렇게 자연 생성된 공작석이 방사성 요오드만을 선택적으로 흡수해 더 단단한 물질인 ‘마샤이트 광물’로 재탄생한다는 점입니다.

즉, 현재 한국은 사용 후 핵연료를 구리 용기에 담아 지하 깊숙이 보관하는 방식을 고려하고 있는데, 구리 용기에 담아 지하에 매립한 방폐물과 지하수가 만나 천연광물 공작석을 생성하고, 이 공작석은 핵종 중에서도 방사성 요오드만을 선택적으로 흡수해 마사이트 광물로 태어납니다.

그리고 이는 지속적으로 방사성 요오드를 만나 몸집을 키우는데, 이렇게 흡수된 방사성 요오드는 절대 밖으로 빠져나올 수 없는 겁니다. 그러니까 한국 연구팀이 방폐물 처리장 주변에 별다른 기계적 장치를 설치하지 않아도 가장 다루기 난해하다는 방사성 요오드를 친환경적으로 차단해 낼 수 있는 물질을 세계 최초로 규명하는 겁니다.

만약에 기술이 발전한다면 원자력 발전소 내에 방사성 요오드만을 제거하는 정화 시스템이 개발될 수 있다는 의미이고, 원자력 발전소의 안전성이 한층 더 높아진다는 것이 가장 큰 성과라고 볼 수 있습니다.

그런데 이렇게 원자력의 가장 치명적인 단점이 해결될 수 있다는 가능성이 제기되면서 일부 네티즌들을 중심으로 “한국도 이제 핵잠수함을 개발해도 되지 않느냐?”라는 의견과 “한국은 미국과 체결한 한미 원자력협정 때문에 핵잠을 개발할 수 없다.”라는 의견이 대립하고 있습니다. 그렇다면 이는 사실일까요?

우리가 한미 원자력 협정과 관련해서 주목해야 할 것은 두 가지입니다. 하나는 우리나라는 2017년 개정된 협정에 따라 20%까지 핵연료의 우라늄 235를 농축할 수 있고, 또 다른 하나는 미국의 제공한 원자력 기술은 오로지 평화적인 목적으로만 사용할 수 있다는 점입니다.

이를 핵잠수함과 관련하여 살펴봐야겠습니다. 핵잠수함은 말 그대로 핵분열에서 얻은 에너지로 엔진을 가동하는 잠수함을 의미합니다. 잠수함이라는 것의 가장 큰 장점은 아무래도 수면 아래에서 활동하기 때문에 위성으로 쉽게 위치 파악을 할 수 없다는 ‘은밀성’에 있습니다. 핵잠수함은 디젤 잠수함에 비해 은밀성에 있어서 비교가 불가능합니다.

보통 디젤 잠수함은 항해 중 3~4일에 한 번씩 수면으로 부상해 연료를 공급받아야 하므로 위성에 노출될 가능성이 있습니다. 하지만 핵잠수함은 우라늄의 핵분열로 에너지를 공급받기 때문에 이론적으로 1년 이상 수면 위로 부상하지 않아도 됩니다. 다만 식량 공급과 승조원들의 스트레스 등을 이유로 그 기간을 3~4개월로 한정하고 있죠.

한국의 기술력이면 이미 핵잠수함을 개발하고도 남지만, 문제는 연료 수급입니다. 핵잠수함을 건조해도 연료가 수급되지 않으면 고철 덩어리에 불과하니까요.

핵잠용 원료는 원자력 발전소에서 사용하는 것과는 전혀 다릅니다. 원전용 핵연료는 우라늄 235를 5%로 농축시킨 원료를 씁니다만, 핵잠수함에 사용되는 원료는 20% 농축 우라늄이 필요합니다. 이조차도 프랑스가 20% 농축 우라늄으로 핵잠수함을 성공시켰기 때문에 가능한 것일 뿐, 농축도가 높을수록 효율이 높은 것은 사실입니다.

프랑스가 20% 농축 우라늄을 쓰고, 미국과 소련 등은 90% 농축 우라늄을 사용하는데, 이는 핵무기를 만들 수 있는 수준이죠. 그러니까 한국이 핵잠수함 원료로 사용할 수 있는 방법은 한미 원자력 협정에 어긋나지 않게 20% 농축 우라늄을 수입하거나 자체적으로 농축하면 되는데, 자체적으로 농축하는 것은 불가능합니다.

2000년에 레이저 농축법으로 0.2g 농축 우라늄을 만들었다가 IAEA가 한국을 방문해 관련 자료를 전부 압수하기도 했죠. 한국이 농축 우라늄을 만들려면 IAEA에 사전 신고를 해야 하고 사찰도 수용해야 하지만, 한국이 개발하는 순간 일본과 미국 등이 반발할 것이 분명해 이는 사실상 쓸 수 없는 카드죠.

그래서 가장 현실적인 방법은 20% 농축 우라늄을 수입하는 것인데, 현재 프랑스가 이 기술을 가지고 있습니다. 그러니까 한미 원자력 협정은 “한국이 미국산 우라늄을 이용한 20% 미만의 저농축 우라늄이 필요할 경우, 한미 간 협의를 통해 추진할 수 있다.”라고 규정하고 있는바, 미국산 우라늄에 대해서 협정의 적용을 받는 것이지, 다른 국가로부터의 우라늄 수입을 막아서지는 못합니다.

다시 말하면 미국이 아닌 타국으로부터 20% 미만의 농축 우라늄을 수입해 핵잠수함 원료로 사용하는 것에 미국이 반대할 수 없는 겁니다.

다만, 핵잠수함이라는 민감성과 우방에 대한 예의 때문에 미국에 가장 먼저 핵잠수함 원료 공급을 문의한 것이지, 한국이 한미 원자력협정 때문에 핵잠수함을 개발하지 못하는 것이 아니라는 의미입니다.

그래서 호주에게 뒤통수 맞은 프랑스가 “한국과 핵폐기물 재처리 기술 등과 관련하여 거래하기를 진정으로 원하고 있다.”라고 피력해 오기도 했던 겁니다.

그리고 또 다른 오해 중 하나는 핵잠수함과 핵무기가 관련이 있다고 생각하는 것인데, 이는 전혀 다릅니다. 둘은 전혀 관계가 없습니다.

최초의 핵잠수함으로 꼽히는 미국의 ‘노틸러스함’은 핵무기 탑재를 위한 것이 아니라 1950년대 당시 미국과 러시아를 잇는 가장 빠른 바닷길인 북극해를 지배하기 위해서 건조된 것입니다. 그러니까 핵잠수함은 잠수함이지만 그 원료가 농축 우라늄이기 때문에 잠항 능력을 극대화한 것이고, 핵무기는 농축 우라늄 자체를 폭탄으로 만드는 것입니다. 그 목적이 다른 것이죠.

그리고 기술적인 측면에서 보자면 농축 우라늄을 이용해 핵잠수함을 개발했다면 핵무기 개발은 이미 완료된 것이나 마찬가지라고 봐도 됩니다. 왜냐하면 기술적으로 핵무기-상업용 원자로-핵잠수함 순으로 난이도가 높기 때문입니다.

핵무기가 사실상 가장 수월한 것인데, 우라늄 235와 같은 물질을 90% 이상 고농축으로 만들면 이 자체가 무기입니다. 지금 농축 기술만 가지면 폭발 개발이 가능하다는 것이죠.

반면, 상업용 원자로는 발전소 가동을 위해 농축된 우라늄을 사용해 핵분열 에너지를 사용하지만 이 에너지를 전기로 변환해 공급하고, 이를 안정적 수행하려면 핵폭탄보다 더 고난이도의 기술을 필요로 합니다. 단순히 농축하는 것이 아니라 이 농축된 에너지를 전기 에너지로 변환하고 수십 년간 안정적으로 운영하려면 당연히 더 어려운 기술력이 요구되죠.

기술력으로 보자면 끝판왕은 핵잠수함입니다. 왜냐하면 잠수함이라는 공간적인 제약이 있고, 제한된 공간에서 승조원의 피폭을 최소화해야 하며 안전성까지 확보해야 하니까요. 무엇보다 혹시 교전 시 발생할지도 모르는 다양한 충격과 변화무쌍한 해상 환경에서도 정상적으로 원자로를 가동해야 하는 겁니다. 단순 농축 기술이 아니라 그 외에 고려해야 할 사항이 너무나 많은 것입니다.

그래서 북한이 핵무기를 가지고 있기 때문에 핵잠수함을 개발하는 것도 어렵지 않다고 결론 내리는 것은 기술적으로 성급한 결정일 수 있습니다. 그 답은 북한이 정확히 알고 있을 겁니다.