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- HALEU 우라늄은 최대 20%의 우라늄-235로 농축돼 무기급으로 만들기에 충분
- 핵연쇄반응 시작되기 위해 우라늄에 핵분열성 동위원소인 우라늄-235가 최소한 포함돼야
- 일반 원자력 발전소의 경우 핵연료는 우라늄-235의 비율이 3~5%로 농축
- 보안 위험이 실제로 얼마나 높은지 조만간 알아야 하기 때문에 문제 시급

HALEU 우라늄은 얼마나 위험할까?
소형 원자로용으로 생산되는 우라늄 연료는 무기급일 수 있다.

폭탄으로 가는 빠른 길?
미래의 소형 원자로용으로 생산되는 우라늄 연료가 글로벌 안보 문제가 될 수 있다고 연구원들은 경고한다. 소위 HALEU 우라늄은 최대 20%의 우라늄-235로 농축돼 있으며 이는 팀이 "Science"에서 보고한 바와 같이 무기급으로 만들기에 충분하다. 핵폭탄은 단일 소형 원자로에서 나오는 연료의 양으로 며칠 내에 제조될 수 있다. 그러나 지금까지 HALEU 우라늄에 대한 해당 안전 규정은 없다. 

▲ 계획된 소형 원자로의 핵연료는 원자폭탄 제조에 오용될 수 있다.

방사성 원소 우라늄이 어떻게 사용될 수 있는지는 동위원소 구성에 따라 결정적으로 달라진다. 자연계를 지배하는 우라늄-238은 핵분열성이 없으므로 순수한 형태로는 원자로의 핵연료나 핵무기 제조에 적합하지 않다. 핵연쇄반응이 시작되기 위해서는 우라늄에 핵분열성 동위원소인 우라늄-235가 최소한으로 포함돼 있어야 한다. 일반 원자력 발전소의 경우 핵연료는 우라늄-235의 비율이 3~5%로 농축된다.

이는 일반 핵연료의 핵분열성 우라늄 함량이 원하는, 느리고 제어 가능한 연쇄 반응을 유발할 만큼 충분히 크다는 것을 의미한다. 그러나 우라늄-235 함량은 폭발적이고 기하급수적인 연쇄반응을 일으키기에 충분하지 않다. MIT(매사추세츠 공과대학)의 스콧 켐프(Scott Kemp)와 그의 동료들은 “이는 국가나 테러리스트들이 단순히 무기를 만들기 위해 상업용 원자로 연료를 구매하는 것을 효과적으로 방지했다”고 설명했다.

소형 원자로는 더 많은 "우퍼"가 필요

그러나 이것은 가까운 미래에 바뀔 수 있다. 새로운 유형의 소형 원자로가 곧 기존 원자력 발전소를 대체할 수 있다. 국제원자력기구(IAEA)에 따르면, 전 세계적으로 80개 이상의 소형 모듈형 원자로(SMR)가 이미 계획 중이거나 건설 중이다. 이러한 소형 원자로는 열과 전기를 생산하기 위해 더 적지만 더 고농축 핵연료를 사용한다.

▲ 천연 우라늄 광석은 거의 우라늄-238만을 함유하고 있는데, 이는 중성자 충격에 의해 핵분열이 일어나지 않고 원자 연쇄 반응을 촉발할 수도 없다. © Antoine2K/Getty 이미지

그러나 Kemp와 그의 동료들은 이제 이것이 바로 문제가 될 수 있다고 경고한다. SMR 시스템에 사용되는 핵연료인 HALEU( High Assay Low-enriched Uranium고분석 저농축 우라늄)에는 우라늄-235가 10~20% 함유되어 있다. “대부분의 소형 원자로 개발자들은 19.75%의 우라늄-235를 선호한다”고 연구원들은 말했다. 이는 이 핵연료가 무기급으로 간주되는 고농축 우라늄의 한계점에 있을 뿐만 아니라 우라늄-235의 비율이 더 적더라도 안보 위험을 초래할 수 있음을 의미한다.

무기 능력이 20% 미만

Kemp와 그의 팀이 보고한 바와 같이, 로스앨러모스(Los Alamos)에서 실시된 테스트에서는 우라늄이 20% 기준치 미만에서도 무기 등급이 될 수 있음이 나타났다. 연구팀은 “만약 그것을 충분히 모으면 이 핵연료를 핵무기로 사용할 수 있다”고 말했다. 그러나 지금까지 과학자들이 1984년 미국 의회에서 이를 지적했음에도 불구하고 이는 안전 규정에서 대체로 무시되었다.

그 이유는 다음과 같다. "과거에는 HALEU 핵연료가 거의 사용되지 않았다. 그 사용은 연구용 원자로로 제한되었다"고 Kemp와 그의 동료들은 설명했다. 따라서 이러한 소량의 무기를 생산하는 것은 거의 실용적이지 않았을 것이다. 따라서 HALEU 우라늄은 고농축 우라늄 및 플루토늄보다 낮은 보안 수준으로 지정되었다. 그러나 더 많은 HALEU 핵연료가 생산되어 소형 원자로에 사용된다면 상황은 바뀔 것이다.

히로시마 원자폭탄은 원자로 1개 충전으로 충분

과학자들은 “HALEU가 안전 요건을 강화하지 않고 표준 원자로 연료가 된다면 단일 원자로에서 나오는 물질은 핵폭탄을 만드는 데 충분할 것”이라고 보고했다. 그들의 계산에 따르면, 1945년 히로시마에 투하된 원자폭탄보다 더 강력한 핵무기를 생산하려면 약 100~1,000kg의 우라늄이 필요하다. 이 정도 질량의 우라늄 공의 크기는 약 46cm에 불과하다.

▲ 소형 원자로에 사용되는 HALEU 핵연료에는 폭발적인 연쇄 반응을 일으킬 만큼 충분한 우라늄-235가 포함되어 있다. © PeterHermesFurian/게티 이미지

또한, HALEU 우라늄을 이용한 원자폭탄 제조는 다년간의 핵무기 경험이 없는 단체, 조직, 국가라도 상대적으로 빠르게 가능할 것이다. Kemp와 그의 팀은 "이러한 국가에서는 폭탄 완성이 불과 며칠밖에 남지 않을 것이며, 국제 사회에는 경고도 없고 사실상 이를 막을 방법도 없을 것이다"고 강조했다.

더 엄격한 요구사항 필요

따라서 연구진은 HALEU 핵연료에 대한 안전 요건을 강화하기 위해 미국 당국뿐만 아니라 국제기구에도 호소하고 있다. 그들은 최고 안전 카테고리 I에 우라늄-235가 10~12% 이상 함유된 우라늄 연료를 포함할 것을 제안한다. “이것은 SMR 발전소의 많은 원자로 개념에 대해 미미한 경제적 결과만을 가져올 것이다”고 그들은 설명했다. 그러나 동시에 잠재적으로 무기급 우라늄의 위험을 낮게 유지할 것이다.

“에너지 산업은 보안 위험이 실제로 얼마나 높은지 조만간 알아야 하기 때문에 문제는 시급하다”며 “이것이 무기급 우라늄의 원천이 될 수 없는 원자로를 설계할 수 있는 유일한 방법”이라고 말했다.
(Science, 2024; doi: 10.1126/science.ado8693)
출처: Science, Union of Concerned Scientists

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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