[조주형의 한반도 체스판] 美의 핵협상 포인트: '우라늄농축·원심분리...

* 본 기사는 AI가 아닌, 해당 기자가 직접 작성한 글임을 밝힙니다.

트럼프 "이란 하룻밤에 없앨 수 있어…내일밤 될수도".2026-04-07 05:06(사진=연합뉴스, 픽셀조정: 조주형 기자)

#1. 서설

지난 17일 미국의 도널드 트럼프 대통령이 이란(Islamic Republic of Iran) 공습전(戰)을 계속하고 있는 와중에 이란이 일명 '무기급 우라늄(weapon grade HEU)'을 포기하고 이를 이전(移轉)키로 했다는 취지의 발언을 하면서 진위에 관심이 모아지고 있습니다. 물론 이란의 입장은 이와 정반대로 알려지고 있어 사실 여부에는 가깝지 않으나, 세계의 관심은 ‘우라늄(Uranium)’이라는 핵물질로 향하고 있습니다. 그래서 <펜앤>은 이번 호에서 다소 전문적일 수 있는, 핵공학과 국제정치와의 관련성을 다루고 합니다.

북한의 핵(核)문제를 30년 넘겨 경험하고 있는 우리나라로서는 핵문제에 관한 관심이 끊어질래야 끊길 수가 없는 주제라는 점에서 이론의 여지가 없을 겁니다. 그럼에도 불구하고 <펜앤>이 이번 호에서 굳이 ‘핵(核)에 관한 문제’를, 일종의 개관(槪觀) 형식으로라도 밝히려는 것은 핵(核)과 국제정치에 관하여 조금은 더 전문적인 관점을 보태기 위함입니다.

그래서 이번 호에서의 주된 연구질문, 결론부로 연결될 질문으로 ‘이란을 공습중인 미국은 이란의 핵문제를 짚으면서도 왜 이란과의 핵협상 문제에 끈질긴 관심을 가질 수밖에 없는가?’라는 것을 설정했습니다. 왜 미국은 이란과의 핵협상에서(JPCOA, JCOA)에서 농축도 3.67%(그리고 농축우라늄(Enriched Uranium) 비축량을 300파운드(136kg))로 제한하는 것에 집중하는가? 농축도라는 정량(定量) 평가를 주된 제한기준으로 삼으려는 이유가 무엇인가? 바로 이 부분이 국제정치 현실공간에서 나타나는 핵협상에 관한 초점인 것이지요.

이에 대해 혹자들은 ‘왜 하필이면 양적 기준을 중심으로 두고 핵협상을 평가할 수밖에 없느냐?’라는 질문을 던질 수도 있겠습니다. 어쩌면 너무나 자명한 질문일 수도 있겠습니다만, 그렇다고 이를 쉽게 이해하기에는 뭔가 빠진 것 같은, 왜 이것 외에는 안하려고 하느냐는 질문이 꼬리에 꼬리를 물기 때문에 뭔가가 막힌 듯한 불편감, 그런 느낌을 느낄지도 모르겠습니다. 이에 대한 이해를 위해서는, 두 가지 관점을 가져볼 필요가 있습니다.

핵(核)에 관한 이해를 위해선, 첫 번째 '농축'의 관점과 두 번째 '농축을 위한 유일과정'이라는 관점 모두 필요하다는 겁니다. 이들 중 단 한 가지 관점만으로는 핵협상을 이해하는 데에는 상당한 한계가 있습니다. 그동안 많이 알려져 있다시피, HEU(고농축우라늄)이 몇 kg 있느냐, 그게 몇 kg이면 핵탄두를 1개 만들 수 있느냐는 등 양적 지표(index)에 근간하여 봤을 뿐이지, 그 정도 양(kg)이면 무조건 핵탄두의 기능을 할 수 있다는 전제부터 재접근해보겠습니다.

바로 그 부분이 일부만 타당하면서도 전체 이해에는 도달하지 않기에 불완전하다는 겁니다. 단순히 일정량(kg)을 확보하면 핵탄두가 된다? 그렇지 않습니다. 핵분열물질을 일정량 확보했다고 해서, 그것이 곧장 핵탄두의 기능성을 갖는다고 단정 지을 수는 없다는 겁니다. 물론 북한의 경우, 핵개발 징후가 강하니 보유량만 보더라도 핵무기전용성을 전제로 보고 있습니다만,  국제 핵협상에 관한 이해는 핵공학 관련 과학기술적 접근에서 다시금 섬세하게 들여다볼 필요가 있다고 할 수 있겠습니다.

16일 국방부가 발간한 '2022 국방백서'는 북한의 핵물질 보유량에 대해 "핵분야는 1980년대부터 영변 등 핵시설 가동을 통해 핵물질을 생산하여 왔으며, 최근까지도 핵 재처리를 통해 플루토늄 70여 ㎏, 우라늄농축프로그램을 통해 고농축 우라늄(HEU) 상당량을 보유하고 있는 것으로 평가된다"고 기술했다.2023.02.16(사진=연합뉴스)

#2. 무엇이 핵협상 쟁점이 되는가

가장 간단한 비유를 들자면, 바닷물이나 커피 내지는 소금물이 대표적일 것 같습니다. 예를 들어, 농도 10% 수준의 1kg(1000g) 상당의 소금물을 한 컵 떴다고 생각해봅시다. 그러면 1kg 속에는 맹물 900g과 100g의 소금이 들어있으므로 그 소금물의 농도는 10%일 겁니다. 우리가 카페 등에서 자주 마시는 아메리카노 역시 500g짜리 한컵을 샀을 때 맹물 450g에 커피원액 50g이 들어 있으면 10%의 커피농도라고 할 수 있을 겁니다.

우리가 생각해봐야 하는 것은 미국과 이란의 핵협상에서 타결되었던 우라늄 농도구간은 3.67%라는 점을 생각해봅시다. 3.67%의 농도가 기준이 되는 것으로, 이는 1kg(1000g) 속에 36.7g 정도의 우라늄 U-235가 있다는 뜻이지요. 우라늄은 핵물질이지만 불순물을 제거한 우라늄원액은 U-236, 237등 우라늄 동위원소들이 존재합니다.

동위원소라는 것은 우라늄과 동일한 물질특성을 갖고 있을 뿐만 아니라 우라늄을 구성하고 있는 각 물질(U-235, U-236, 238 등)에 있어 우라늄 특성을 갖는 양성자 숫자(92개)는 같으나 중성자 질량수가 다른 235와 238 등이 특히 문제가 됩니다. 이게 90% 정도(무기급)는 되어야 비로소 폭탄으로서의 기능성을 기대할 수가 있습니다. 문제는 핵분열물질(우라늄과 플루토늄)이 단순히 몇kg 보유한다고 해서 이를 핵폭탄으로 동치시킬 수 없다는 것이고, 이를 이해하려면 과학기술적 이해가 수반되어야 한다는 것이지요.

여러 우라늄 동위원소들로 뭉쳐진 1000g 중에서 특히 문제가 되는 U-235의 농도가 통상 0.7%에 있는데, 이란은 이를 3.67% 수준으로 제한하고 있다는 것이지요. 아메리카노 혹은 소금물로 따지면, 10%나 5%가 아니라 3.67%의 소금농도 내지는 커피원액 농도를 올리지 말라는 겁니다.

물론 이란과의 핵협상에 있어 문제가 되었던 것은 이 3.67%라는 농축도의 비율이었습니다. 지난 2015년 ‘포괄적 공동행동계획(JCPOA)’에서 우라늄 농축률을 3.67%로 제한하려고 했고 이란은 이에 대해 반발하고 있다는 게 특징이지요.

한마디로 이란은 아메리카노와 소금물을 3.67%의 농도보다 더 짙고 더 짜게 갖고자 하는 것인데 국제사회는 더 커피향 강하게, 더 짜게 먹지 말라는 겁니다. 그 이상을 허용할 수 없다는 것이지요. 그럼 고농축 우라늄을 얼마나 더 짜고 향이 강하게 만들면 문제가 될까요? 바로 90%입니다. 그래서 ‘고(高)농축’인 것이지요.

우라늄. Nuclear Fuel Facts: Uranium . Uranium is a silvery-white metallic chemical element in the periodic table, with atomic number 92. It is assigned the chemical symbol U. A uranium atom has 92 protons and 92 electrons, of which 6 are valence electrons. Uranium has the highest atomic weight of all naturally occurring elements.(사진= Department of Energy, 픽셀편집=조주형 기자)

#3. 농축도가 왜 문제되는가

소금물을 만드는데 소금이 900g이고 맹물이 100g으로 만들면 이제 핵폭탄의 능력과 정치적 위력을 비로소 갖출 수 있게 되는데, 90% 상당과 3.67% 상당의 차이는 대단히 큽니다.

그러면 ‘농축율이 90% 수준이어야 핵폭탄의 위력을 발휘할 수 있는데 그보다도 한창 못미치는 3.67%+a 수준은 앙 안 된다는 것인가?’ 이런 질문을 하는 분들도 있을 듯 합니다. 무려 거의 1/27 수준의 농축률의 차이를 갖는데, 그 정도 조차도 안되는 이유가 무엇이냐는 질문도 가능할 듯 합니다.

국제사회는 3.67%의 우라늄 농축율 그 일부조차도 올리는 것에 대해 엄청나게 예민하다고 인식하는 독자 분들도 있을 것 같습니다. 3.67%까지만 허용되고, 3.68% 내지는 3.69% 수준의 우라늄 농축 비율을 아예 허용될 수 없다는 국제사회(국제원자력기구, IAEA)의 입장은 왜 그러한가? 이렇게 질문을 할 수도 있습니다.

더 나아가 90%정도는 되어야 무기급(weapon grade) 우라늄이 되는 것인데, 지금 3.67%는 거의 개발 초입단계 아니냐는 역질문도 있을 수 있습니다. 이는 우라늄 농축과정에 대한 보충적인 이해가 더해진다면, 왜 불과 3.67% 농축제한 기준값에서 단 0.1%조차도 허용될 수 없는지에 관해 이해될 수 있을 듯 합니다. 이를 위해 우라늄 농축 과정에 관한 설명을 간단히 개관합니다.

미국과 이란의 핵협상에 있어 쟁점이 되고 있는 우라늄 농축률 문제는, 우라늄 농축에 관한 기술적인 이해가 불가피합니다. 우라늄 연료주기로는 ‘원광채취→원석의 정련→원석 변환·정제 및 우라늄동위원소 분리→농축→연료재소결·제작·가공’이라는 과정을 거쳐 원자로(原子爐, reactor)에서 중성자 조사(照射)후 플루토늄으로도 바꿀 수 있습니다. 이번 호에서는 우라늄농축에 있어 현대국가에서 주로 사용하는 기법인 ‘원심분리기법(원심분리기:centrifuge)’을 설명하려는 겁니다.

쉽게 말해 ‘세탁기’에 빨랫감을 넣었을 때 원심력에 의하여 돌아가는 세탁기 속에서 빨랫감에 들어 있는 물을 얼마나 빨리 탈수(脫水)시켜 빨랫감이 물이 거의 없는, 겨우 10% 수준에 이르도록 할 수 있느냐는 문제로 바뀌는 겁니다. 이때 세탁기라는 것은 ‘원심분리기’라는 것이고, 그 원심분리기의 재료역학적 내구성 및 효율성 그리고 원심분리기들이 연결되어 있는 1개 공정 단위인 ‘캐스케이드(cascade)’를 얼마나 압축적으로 줄일 수 있겠느냐의 문제가 되기 때문인 것이지요.

우라늄 공정과정. How is uranium made into nuclear fuel? What is Uranium? Infographic: Adriana Vargas/IAEA(사진=국제원자력기구, 편집=조주형 기자)

#4. 원심분리기술의 은닉가능성

한마디로 ‘원심분리기술’을 확보하기만 한다면, 이제 문제는 핵을 갖느냐 아니냐의 문제가 아니라 핵을 얼마나 잘 숨길 수 있게 되느냐는 문제로 전환된다는 겁니다. 미국을 비롯하여 IAEA가 계속 우라늄 농축이 가능한 일본과 우리나라 등에 대해 지속적으로 원자력 관리를 하는 이유도 바로 여기에 있다할 겁니다.

물론 우리나라의 경우 농축우라늄 기술력을 확보하려고 박정희 정부 시절부터 관심을 갖고 많은 노력을 기울여왔지만, 일본(아오모리현 Rokkasho 우라늄 농축소)과는 별도로 고농축화 기술력을 확보하지는 못했습니다. 빨래를 돌리면서 빨랫감의 90% 수준으로 물을 분리시킬 수 있는 정도의 원심분리기술을 갖지 못한 겁니다.

원심분리기(세탁기)에서 빨랫감(우라늄)을 돌림으로써 물(U-235가 아닌 우라늄 동위원소들)을 90%수준으로 빼내려면, 물과 빨랫감의 질량격차를 이용하는 것이라는 점은 모두가 다 알 겁니다. 그런데, 우라늄의 경우 그 질량격차가 겨우 중성자 1~3개를 분리할 수 있을 정도라면 원심분리기의 회전속도가 무려 최소 5만rpm 이상이어야 한다는 점이지요. 우리나라는 2025년 기준으로 아직 그 정도 회전력을 버틸 수 있을 만한 기술력을 상용화하는 데 있어 실험단계 중에 있습니다.

이란 같은 경우, 회전력 기술을 확보하지 않도록 하고자 농축기술을 3.67%로 제한하려고 했습니다. 2015년 JCPOA의 내용이 그것이었지요. 그런데, 이란이 농축기술을 업그레이드 하면 어떤 문제가 생기는가? 그건 원심분리기가 급격하게 축소화된다는 겁니다.

지난해 북한 김정은 국무위원장이 공개한 북한 강선 핵발전소 내 원심분리기 캐스케이드가 그것인데, 그 공정단위가 확 줄어버려 은닉성이 급격히 올라간다는 문제가 있습니다. 우라늄의 분리작업량(Separative Work Units, SWU)의 기준지표값인 ‘분리계수’가 통상 ‘1’이라는 단위로 표현되는데, 1보다 큰 ‘1.0000....’로 설정되는데 이 의미는 ‘1개 캐스케이드 단계가 우라늄 동위원소를 분리할 수 있다’는 뜻입니다.

이 값의 계산은 이중로그함수(Log)를 쓰기 때문에 약간의 변화가 결과적으로 원심분리기 설비공정의 기하급수적인 축소(압축, 이를테면 512스테이지→324스테이지→극단적으로 16스테이지)될 수 있기 때문이지요. 결과적으로 이란이 북한과 같은 ‘은닉성을 발휘할 수 있는 핵개발 능력’을 가질 수도 있게 된다는 의미입니다.

우라늄 농축용 원심분리기. HALEU Demonstration: A Key First Step in Fueling Success for U.S. Advanced Reactors. Advanced centrifuge cascade in Piketon, Ohio. Ohio HALEU demonstration project key to successful development of advanced reactors.2023.01(사진=Department of Energy, 픽셀편집=조주형 기자)

#5. 국제 비확산규범의 일관성에 관한 문제

이 사건이 주는 의미는 미국이 핵비확산정책을 어떻게 설계해 나가고 있느냐에 관한 실마리이자 전체그림이라는 점에서 우리나라에 주는 의미는 상당합니다. 과거 1993년 김영삼 정부가 처음 들어섰을 때였는데, 그해 3월부터 북한은 IAEA의 핵사찰을 문제삼아 NPT탈퇴를 선언해 그해 7월 미국과 제2차 핵협상 실무논의에 돌입했습니다.

이 과정에서 미국은 북한을 폭격하지 않았습니다. 당시 북한은 전술한 #2~#6까지 요구되는 원심분리기가 필요하지 않은 형태의 핵개발(영변 5MWe급 흑연감속로형 원자로)을 진행했습니다. 이란과는 달리 우라늄 농축용 원심분리기가 필요없는 형태의 핵분열물질 확보경로를 유지해오고 있었던 것인데, 그와 달리 이란은 원심분리기가 필요한 핵개발 경로를 채택하였다는 점이 차이가 있습니다.

그럼에도 불구하고 미국은 1993년 북한 때와는 달리 이란을 폭격하기 시작했다는 점에서 –물론 핵개발 방식이 다릅니다만-북한과 같은 시간적 딜레이(delay)를 허용하지 않겠다는 단호한 핵비확산 의지를 표명한 것이라고 할 수 있을 겁니다.

일각에서는 미국의 이러한 행위에 대해 국제질서를 어지럽힌 것이라고 지적하고 있지만, 어쩌면 핵비확산 의지를 국제사회에 강압적인 형태로 투사함으로써 NPT 조약 기반의 국제 핵비확산체제의 열외사례를 용납지 않겠다는 신호를 발신한 것일 수도 있다는 것이지요. 다만, 미국이 이러한 의지를 계속 갖고 있다고 한다면, 북한에 대해서는 어떻게 봐야 하는지에 대해 관심을 갖고 보아야 할 것입니다.

이란에 대해서는 폭격을 감행할 정도로 핵개발 역량 및 그 경로의 비확산을 노리고 있으면서도, 북한에 대해서는 어떻게 할 것이냐가 국제 핵비확산체제의 예외상태를 만들지 않을 것이라고 볼 수 있겠습니다. 하지만 그와 반대로 대한민국을 제쳐버리고 북한과 직거래를 하게 된다면, 오히려 1993년의 미북 양자 핵협상 문제가 재탕되어 제2의 KEDO와 같이 돈은 우리나라가 감당하면서 그 책임을 또 떠안게 될 것은 아닌지 두고 봐야할 것입니다.//

조주형 기자 j76764437@gmail.com

2009년 8월 평양을 방문한 빌 클린턴 전 미국 대통령이 북한 김정일 국방위원장과 기념촬영을 하는 모습.(사진=연합뉴스)

조주형