알기쉬운 전략물자
핵무기제조와 전략물자 시리즈 3 - 가스원심분리기를 통한 우라늄농축 전략물자 ABC에서는 전반적인 핵무기 제조 과정과 단계별로 소요되는 전략물자에 대한 해설을 연재하여 전략물자 수출통제의 배경과 목적에 대한 이해를 돕고 있다. 이번 호에서는 우라늄농축공정과 소요되는 전략물자에 대해 상세히 알아본다. □ 캐스케이드 이론 우라늄 농축은 화학적 성질이나 물리적 성질이 비슷한 핵종을 원자핵의 근소한 질량차를 이용하여 분리하는 것이기 때문에 1회의 처리로는 근소한 분리효율 밖에는 얻을 수 없다. 그러므로 목적으로 하는 농축작업을 위해서는 여러 번의 동일 공정을 반복할 필요가 있으며, 목적하는 동위원소의 조성 비율을 차례로 높여가면서 농축된 물질을 다음 단으로 흘려보내는 캐스케이드(Cascade) 공정을 거쳐야 한다. 가스원심분리공장의 경우 수백에서 수만개의 원심분리기를 병렬 및 직렬로 연결하여 캐스케이드를 구성하게 된다(그림1 참조) □ 가스원심분리법 원심분리법에 의한 우라늄농축은 1941년 Beams 등에 의해서 처음 시도된 후, 현재 대표적으로 유럽 URENCO社에서 대규모 상업운전을 하고 있다. 그러나 미국은 제2차 세계대전중 핵무기를 개발하는 데 필요한 농축우라늄을 얻기 위하여 대규모로 연구하여 오다가, 분리 능력이 저조하고 기계장치가 복잡하여 큰 진전을 보지 못했으며 경제성이 좋은 것으로 기대되는 레이저법을 실증하면서 이에 대한 연구는 거의 중지된 상태에 있다. 원심분리법의 기본 원리로는 회전용기 내부에 있는 기체가 원통과 함께 고속으로 회전을 하여 회전용기 중심으로부터 바깥 방향으로 지구의 인력의 수만배에 달하는 원심력이 작용하여, 기체의 밀도가 중심부에는 희박해지고, 바깥쪽에는 압착된 모양의 분포를 형성하여 바깥쪽에는 우라늄-238의 비율이 높아지고, 중심부에는 우라늄-235의 비율이 높아져 우라늄 동위원소를 분리하는 방법이다. 원심분리기의 기본구조로는 기체의 흐름 방향에 따라서 향류형 및 병류형으로 구분하며, 또한 향류형은 순환 방식에 의해 내부순환형과 외부순환형으로 나뉜다(그림2 참조) 그림 2. 향류형 내부순환방식 원심분리기 가스원심분리기는 베어링 및 댐퍼, 분자진공펌프, 회전자 및 고정자, 원심분리회전 체 하우징, 스쿠프 등의 전략물자로 구성되며, 캐스케이드는 육불화우라늄 공급 시스템, 분리성분추출시스템, 분리기 헤더파이프 시스템, 육불화우라늄용 질량분석계 및 그 이온화원, 주파수 변환기, 특수 폐쇄밸브 및 제어밸브 등의 전략물자로 구성된다. 원심분리기 핵심부품인 회전자는 수천~수만 rpm의 고속에서 부식성 육뷸화우라늄 기체를 농축하기 때문에 알루미늄합금, 탄소섬유, 아라미드섬유, 유리섬유, 마레이징강, 티타늄합금 등의 밀도 대비 고강도 재질로 제작되며, 회전자 등 원심분리기 제조에는 벨로우즈 제조용 맨드릴, 필라멘트 와인딩장치, 원심력식균형시험기 등이 소요된다. 이들은 모두 대외무역법상의 전략물자로서 수출통제 대상이 된다.
그림 1. 캐스케이드