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우라늄 레이저 농축법

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목차

1. 개요

우라늄 레이저 농축법(AVLIS)은 레이저를 사용하여 우라늄 235를 선택적으로 이온화시켜 천연 우라늄에서 분리하는 기술이다. 이 방법은 다른 농축 기술에 비해 에너지 소비가 적고, 시설 규모가 작으며, 우라늄 낭비가 적다는 장점이 있다. AVLIS는 1970년대 초 구 소련과 미국에서 연구가 시작되었으며, 미국, 일본, 호주 등 여러 국가에서 기술 개발이 이루어졌다. 그러나 상업화에는 어려움을 겪었으며, 핵확산 위험 때문에 국제적인 감시 대상이 되고 있다.

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우라늄 레이저 농축법

2. 원리

AVLIS 시스템의 기본적인 개념은 증기화된 원료 물질에서 원하는 동위원소 원자만을 선택적으로 이온화하는 것이다. 원자 내 전자의 에너지 준위는 원자핵 구조의 영향을 받아 미세하게 갈라지는데, 이를 초미세 구조라고 한다. 이 때문에 서로 다른 동위원소는 약간 다른 에너지 준위를 갖게 된다. AVLIS 설계자들은 이러한 동위원소 간 에너지 준위 차이가 가장 크면서도, 현재의 레이저 기술로 실제로 구현 가능한 특정 전자 에너지 준위를 선택한다.

선택된 에너지 준위에 해당하는 레이저 빛을 쬐면, 목표하는 동위원소의 원자만 광 여기 과정을 거쳐 전자를 잃고 양(+)전하를 띤 이온이 된다. 이렇게 이온화된 원자는 정전기적 인력이나 자기장을 이용하여 분리할 수 있다. 반면, 목표하지 않은 다른 동위원소 원자들은 레이저에 반응하지 않아 이온화되지 않고 중성 상태로 남아 원래의 혼합물 흐름에 섞여 있게 된다.

AVLIS 기술 개발 초기에는 1960년대 후반에 등장한 CO2 레이저를 이용하여 16μm 파장 대역의 전자를 여기시키는 연구가 주로 이루어졌다. 하지만 이 파장 대역에서는 전자의 에너지 준위 간격이 매우 좁고 도플러 넓어짐 효과 때문에 동위원소를 정확히 선택하기 어려웠으며, 이를 해결하기 위해 증기를 극저온으로 냉각시키는 복잡한 과정이 필요했다. 이후 주파수를 정밀하게 조절할 수 있는 조정 가능한 레이저, 특히 색소 레이저가 개발되면서 더 편리하고 효율적인 에너지 준위를 선택할 수 있게 되었다. 최신 AVLIS 시스템에서는 일반적으로 238U의 502.74 nm 흡수 파장과 235U의 502.73 nm 흡수 파장 사이의 미세한 차이를 이용한다.

AVLIS 시스템은 크게 원료 우라늄을 증기 상태로 만드는 증기화기, 이온화된 235U를 분리하여 모으는 수집기, 그리고 특정 파장의 빛을 만들어내는 레이저 시스템으로 구성된다. 증기화기는 순수한 기체 상태의 우라늄 흐름을 만들어내는 역할을 한다.

2. 1. 레이저 여기(勵起)

일반적으로 사용되는 레이저는 2단계 튜닝 가능한 펄스형 색소 레이저이며, 보통 레이저 펌핑을 통해 구리 증기 레이저로 펌핑된다.[4][5] 마스터 오실레이터는 튜닝이 가능하며, 좁은 선폭, 낮은 잡음, 높은 정밀도를 가진다.[6] 이 레이저의 출력은 광 증폭기 역할을 하는 색소 레이저 증폭기에 의해 상당히 증가한다. 우라늄-235의 완전한 이온화를 위해서는 3개의 레이저 주파수("색상")가 사용된다.[7]

리튬과 같은 다른 원소의 AVLIS에서는 튜닝 가능한 좁은 선폭의 다이오드 레이저가 사용된다.[8]

3. 기술

순수 핵분열 핵무기 제조에 필요한 고농축 우라늄 양[13][14]
폭발력 (kt)기술 수준별 필요 우라늄 양 (kg)
저급 기술중급 기술고급 기술
1842.5
51163.5
101374
201695



핵폭탄 한 개를 만드는 데 필요한 우라늄 235의 양은 기술 수준에 따라 다르다. NRDC 보고서에 따르면, 고급 기술을 적용할 경우 5kg의 농축 우라늄으로 20 kt급 핵폭탄(히로시마급 핵폭탄)을 제작할 수 있다.[13][14] 이는 과거 1977년 동아일보 기사에서 핵폭탄 한 개 제작에 농축 우라늄 20kg이 필요하다고 언급했던 것과 비교하면 상당히 줄어든 양이다.[15] 당시 기사에서는 20kg을 얻는 데 3.5일이 걸린다고 했으나, 기술 발전에 따라 현재는 20 kt급 핵폭탄 1발 분량의 우라늄(5kg)을 약 21시간 만에 생산할 수 있는 것으로 추정된다.

레이저 농축법의 핵심 원리는 천연 우라늄에 포함된 여러 우라늄 동위원소 중 핵분열이 가능한 우라늄 235만을 선택적으로 분리하는 것이다. 천연 우라늄은 핵분열이 어려운 우라늄 238이 99.3%를 차지하고, 핵폭탄이나 원자로 연료로 사용되는 우라늄 235는 0.7%에 불과하다. 레이저 농축법은 특정 파장의 레이저를 쏘아 우라늄 235 원자만을 이온화시킨다. 이온화되어 전하를 띠게 된 우라늄 235는 전자기장을 이용해 다른 동위원소들로부터 분리하여 수집할 수 있다.

이 기술, 특히 원자 증기 레이저 동위원소 분리(AVLIS, Atomic Vapor Laser Isotope Separation) 시스템은 증기화된 우라늄 원료에서 원하는 동위원소를 선택적으로 이온화하는 방식으로 작동한다. 원자핵 구조의 차이로 인해 동위원소마다 전자의 에너지 준위가 미세하게 다른데(초미세 구조), AVLIS는 이 차이를 이용하여 특정 동위원소(우라늄 235)만 여기시킬 수 있는 정밀한 파장의 레이저를 사용한다. 이온화되지 않은 다른 동위원소(주로 우라늄 238)는 그대로 남아 분리가 이루어진다.

AVLIS 기술 개발 초기에는 1960년대 후반에 등장한 CO2 레이저를 활용하여 16 마이크로미터 대역의 전자를 여기시키는 방식이 연구되었다. 하지만 이 방식은 도플러 넓어짐 현상으로 인해 동위원소 간 에너지 준위 구분이 어렵고, 증기를 냉각하기 위한 복잡한 시스템이 필요하다는 단점이 있었다. 이후 주파수 조정이 가능한 레이저, 특히 색소 레이저가 개발되면서 더 효율적인 여기 방식을 선택할 수 있게 되었다. 최신 시스템은 일반적으로 238U의 502.74 나노미터(nm) 흡수 피크와 미세하게 다른 235U의 502.73 nm 흡수 피크를 이용한다.

AVLIS 시스템은 기본적으로 우라늄을 기체 상태로 만드는 증기화기, 이온화된 우라늄 235를 모으는 수집기, 그리고 특정 동위원소를 선택적으로 이온화시키는 레이저 시스템으로 구성된다.

레이저 농축법은 기존의 가스확산법처럼 막대한 에너지를 소모하지 않고, 원심분리법과 같이 우라늄 손실이 크지도 않다는 장점이 있다. 또한, 대규모 시설이나 공장 부지가 필요하지 않아 상대적으로 은밀하게 핵물질 생산이 가능하다는 특징을 가진다. 이는 원자로 없이도 농축 우라늄을 이용한 핵폭탄 제조가 가능함을 의미하며, 지하 시설 등에서 비밀리에 핵 개발을 추진할 수 있는 가능성을 열어 놓는다는 점에서 핵 확산 방지에 대한 우려를 낳기도 한다.[15]

4. 나라별 현황

원자 증기 레이저 동위원소 분리법(AVLIS)에 대한 연구 개발은 공개된 자료에 따르면 1970년대 초중반 구 소련과 미국에서 시작되었다.[12] 미국에서는 주로 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 AVLIS 연구를 주도했으며, 초기에는 일부 산업 연구소도 연구에 참여했다.[12] 이후 우라늄 농축에 적용할 수 있는 AVLIS용 가변 레이저 개발은 파키스탄(1974년), 호주(1982-1984년), 프랑스(1984년), 인도(1994년), 일본(1996년) 등 여러 국가에서도 진행 및 보고되었다.[12]

4. 1. 이스라엘

이스라엘의 하레츠 지는 1982년 5월 12일, 영국과 미국에서 출간된 "바그다드 상공의 2분간"이라는 책을 인용하여, 이스라엘이 1972년에 레이저 광선을 이용해 우라늄을 농축하는 획기적인 방법을 고안했다고 보도했다.[16]

4. 2. 일본

일본 과학진은 레이저 빔을 이용하여 천연 우라늄을 35%까지 농축할 수 있는 레이저 광선 2단계 농축법에 성공했다고 1977년 11월 4일 발표했다. 오사카 대학교 전자공학 전공인 야마나까 박사는 이 기술을 시험하기 위한 공장 건설의 필요성을 언급했다. 당시 일본이 가동 중이던 원심분리법 우라늄 농축 시험공장의 효율은 3~4% 수준이었다.[17]

또한 일본의 원자력연구소는 레이저 광선을 천연 우라늄에 쬐어 농축 우라늄을 만드는 기초실험에 성공했다. 이 방식은 고온의 증기 상태인 천연 우라늄에 염료 레이저에서 나오는 자외선을 투사하여 우라늄 235만을 선택적으로 분리하는 것이다.[18] 우라늄 농축에 적용 가능한 AVLIS(원자 증기 레이저 동위원소 분리법)용 가변 레이저 개발은 1996년 일본에서도 보고된 바 있다.[12]

4. 3. 미국

1979년, 미국의 주요 석유 회사인 엑손은 레이저 핵연료 농축 공장 건설 허가를 미국 정부에 신청했다. 그러나 당시 카터 행정부는 이 기술이 비교적 쉽게 핵무기 개발로 이어질 수 있다는 핵확산 위험성을 우려하여 허가를 보류했다.[19] 미국 에너지청의 한 관계자는 "이 레이저 농축공장은 1000만달러만 들이면 누구나 지을 수 있다. 이 정도의 농축공장은 마피아단도 소유할 수 있게 될 것이다."라며 우려를 표했다.[19] 엑손 측은 레이저 농축법이 기존 시설보다 건설비는 1/5, 처리 비용은 1/2 수준이라고 주장했으며, 로스 알라모스 연구소의 젠센 박사는 이 방법이 농축 핵연료 가격을 최소 30% 낮출 수 있다고 분석했다.[19]

이후 미국은 원자력 발전 핵연료인 농축 우라늄 생산을 위해 차세대 기술로 레이저 농축법(ALVIS)을 채택하기로 결정했다. 이는 기존의 원심분리법(AGC)보다 더 발전된 최신 기술로 평가받았으며, 생산 원가를 낮춰 농축 우라늄 시장에서의 경쟁력을 회복하려는 목적이 있었다.[20] 1985년 당시 세계적으로는 가스확산법에서 원심분리법으로 기술 전환이 이루어지고 있었고, 일본이나 유럽 국가들은 원심분리법을 이용해 상업적으로 우라늄을 농축하고 있었다. 미국의 이러한 정책 변경은 이들 국가의 우라늄 농축 산업에도 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되었다.[20]

원자 증기 레이저 동위원소 분리법(AVLIS)의 연구 개발 역사는 공개된 논문을 통해 확인되며, 1970년대 초중반 구 소련과 미국에서 시작되었다.[12] 미국 내에서는 주로 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 AVLIS 연구가 진행되었고, 초기에는 일부 산업 연구소도 참여했다.[12] 우라늄 농축에 적용 가능한 AVLIS용 가변 레이저 개발은 미국 외에도 파키스탄(1974년), 호주(1982-1984년), 프랑스(1984년), 인도(1994년), 일본(1996년) 등 여러 국가에서도 연구 성과가 보고되었다.[12]

4. 4. 호주

2006년 5월 27일, 호주에서 레이저를 이용한 SILEX 우라늄 농축 기술이 개발되어 핵 발전 비용을 크게 줄일 수 있게 되었다고 호주 언론들이 보도했다.[21] 이 기술 개발에는 6500만달러(약 700억원)의 비교적 적은 비용과 10여 년의 개발 기간, 25명의 연구자가 투입되었다. 개발 책임자인 핵과학자 마이클 골드워시 박사는 새로 개발된 기술이 핵연료 비용의 약 30%를 차지하는 우라늄 농축 비용을 절반으로 줄일 수 있다고 설명했다.[21] 예를 들어, 매년 약 4000억원 상당의 우라늄 광석을 수입하고 추가로 약 1000억원의 농축 비용을 부담하는 한국의 경우, 이 기술을 적용하면 농축 비용을 약 500억원으로 줄일 수 있다는 의미이다.

호주에서 개발된 이 신기술의 개발 특허권은 미국의 GE가 구입했으며,[22] 이후 미국 GE, 일본 히타치 등이 참여한 민간기업 컨소시엄인 글로벌레이저농축(GLE)을 통해 상업화가 추진되고 있다. GLE는 새로운 레이저 농축 기법을 이용해 농축 우라늄을 대량 생산할 수 있는 단계에 이르렀다. GE는 미국 노스캐롤라이나주 윌밍턴의 한 시설에서 2년간의 우라늄 레이저 농축 기술 실험을 성공적으로 완료했다.[22] 2011년 8월, 글로벌레이저농축은 10억달러(약 1.08조원) 규모의 농축 우라늄 생산 시설 건설을 위해 미국 연방 정부에 허가를 신청했다.[23]

4. 5. 이란

2003년 5월, 이란의 핵무기 개발을 처음 폭로한 알리레자 자파르자데는 이란 내 저항단체의 보고서를 인용하여, 테헤란 북서쪽 25km 거리에 위치한 라스카르 아바드 지역에서 비밀리에 레이저 농축 작업이 진행되고 있다고 주장했다.[https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=104&oid=003&aid=0000180217 네이버 뉴스]

4. 6. 대한민국

2000년 김대중 정부 시기, 한국원자력연구소는 신개념의 증기 레이저동위원소분리법(AVLIS)을 이용한 우라늄 분리 실험을 진행했다.[24][28] 이 레이저 농축법을 사용하면 농축 우라늄-235 1kg을 얻는 데 약 4시간 정도밖에 걸리지 않는 것으로 알려졌다.[28]

2004년 9월 20일, IAEA 2차 사찰단은 한국원자력연구소의 2000년 우라늄 분리 실험(당시 우라늄 0.2g을 농축) 내용과 기술 수준에 대한 보강 조사에 착수했다.[24] 당시 장인순 한국원자력연구소 소장은 우라늄 농축 수준이 평균 10%이며, 무기급에 근접한 80~90% 수준의 고농축은 "불가능하다"고 주장했다. 또한 생산된 양이 "극미량이 생산돼 심지어 핵물질이라고 불릴 수도 없는 것"이라고 일본 교도통신을 통해 밝혔다.[25]

그러나 2011년 11월 30일, 평화방송 오동선 PD는 2000년 우라늄 농축 실험과 관련하여 다른 주장을 제기했다. 그는 2005년 고위급 실험 책임자로부터 "자체 개발한 레이저 농축 장비를 통해, 충북 우라늄광에서 채굴한 광석에서 우라늄-235를 90% 이상 농축하는 실험에 성공했다"는 증언을 확보했다고 밝혔다. 또한 참여정부 국가안전보장회의(NSC) 관계자도 이를 확인해주었다고 덧붙였다. 이는 2004년 실험 사실이 알려졌을 당시 러시아제 장비를 사용했고 전량 폐기되었다는 해명과는 다른 내용으로, 순수 국내 기술로 제작된 장비였다는 주장이다.[26]

한편, 김대중 정부가 2000년에 우라늄 레이저 농축뿐만 아니라 러시아 고철 ICBM을 밀반입하여 재조립하는 데에도 성공했다는 주장이 제기되기도 했다.[27] (대한민국의 핵무기 개발, 대한민국의 탄도 미사일 개발 참조)

5. 핵실험

레이저 농축법으로 제작한 핵폭탄은 핵실험이 필요없다는 주장이 있다.

6. 상업화 및 국제적 의미

1994년, 미국 정부 역사상 최대 규모의 기술 이전으로 AVLIS 공정이 상업화를 위해 미국 농축 공사(USEC)로 이전되었다. 그러나 1억달러를 투자한 후 1999년 6월 9일, USEC는 AVLIS 프로그램을 취소했다.

AVLIS는 일부 국가에서 계속 개발되고 있으며 국제 감시에 특정한 문제들을 제기한다.[9] 이란은 비밀 AVLIS 프로그램을 운영했던 것으로 알려져 있다. 그러나 2003년에 이 사실이 밝혀진 이후 이란은 프로그램을 해체했다고 주장했다.[10][11]

참조

[1] 서적 Laser Spectroscopy and its Applications Marcel Dekker
[2] 서적 Laser Isotope Separation in Atomic Vapor Wiley-VCH 2006-08
[3] 웹사이트 Uranium Enrichment Tails Upgrading (Re-enrichment) https://www.wise-ura[...]
[4] 서적 Dye Laser Principles Academic
[5] 서적 High-power dye lasers pumped by copper vapor lasers Springer
[6] 논문 Narrow linewidth high prf copper laser-pumped dye-laser oscillators
[7] 웹사이트 "Annex 3": List of Items to Be Reported to IAEA https://web.archive.[...] Iraqwatch.org 2010-11-22
[8] 논문 Lithium isotope separation with tunable diode lasers
[9] 학술지 Laser Enrichment: Separation Anxiety https://web.archive.[...] 2005-03
[10] 웹사이트 Focusing on Iran's Laser Enrichment Program http://www.iranwatch[...] 2004-06-17
[11] 학술지 Iran's Nuclear Activities https://web.archive.[...] Oxford Research Group 2006-03
[12] 서적 Tunable Laser Applications CRC Press
[13] 보고서 Natural Resources Defence Council(NRDC)의 수석과학자 Thomas Cochran의 보고서
[14] 문서 단위: kg
[15] 뉴스 1977년 5월 26일 동아일보 4면 동아일보 1977-05-26
[16] 뉴스 1982.05.13 경향신문 4면 경향신문 1982-05-13
[17] 뉴스 1977년 11월 7일 매일경제 1면 매일경제 1977-11-07
[18] 뉴스 1981년 12월 28일 매일경제 8면 매일경제 1981-12-28
[19] 뉴스 1979년 3월 30일 경향신문 5면 경향신문 1979-03-30
[20] 뉴스 1985년 6월 10일 매일경제 6면 매일경제 1985-06-10
[21] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[22] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[23] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[24] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[25] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[26] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[27] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[28] 뉴스 원료제조 6개월, 기폭장치 6~9개월… 한국 1년반이면 核무장 https://biz.chosun.c[...] 조선일보 2016-02-19


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