북측은 핵융합장치를 어떻게 만들었을까?

한호석
통일학연구소 소장

사기꾼으로 몰린 두 과학자

1989년 3월 23일 미국 서부에 있는 유타주의 솔트 레이크 시티(Salt Lake City)에서 특별한 기자회견이 열렸다. 유타 대학교 연구소에서 연구사업을 하던 체코 태생의 영국인 화학자 마틴 플라이슈먼(Martin Fleischmann)과 그의 동료인 미국인 화학자 스탠리 폰스(Stanley Pons)가 기자회견장에 나타났다. 그들은 자기들이 진행한 실험에서 “지속적인 핵융합 반응(sustained nuclear fusion reaction)”을 얻어낼 수 있었다고 발표하였다. 그들의 발표에 의하면, 중수(deuterium oxide)를 채워넣고 팔라듐 전극(palladium electrode)을 음극에, 백금 전극을 양극에 연결한 유리관 전해조(電解槽)에서 전기분해로 열이 발생했는데, 섭씨 30도 정도였던 중수 온도가 갑자기 50도로 높아졌다는 것이다. 두 화학자는 그것이 핵융합 반응이었다고 밝혔다.

핵융합 반응을 성공시켰다는 소식이 언론에 보도되자 세계 과학계는 흥분의 도가니에 빠졌다. 핵융합 반응을 성공시켰다는 말은, 태양에서 일어나는 핵융합을 지상에서도 인공적으로 발생시킬 수 있는 길이 열렸다는 뜻이니, 세계 과학계가 어찌 흥분하지 않았겠는가.

인류문명은 불에너지를 사용하는 시대에서 전기에너지를 사용하는 시대로, 그리고 핵분열에너지를 사용하는 시대로 발달되어왔는데, 플라이슈먼과 폰스가 핵융합 반응실험에 성공한 것은 핵분열에너지를 넘어 핵융합에너지를 사용하는 새로운 시대를 예고한 것이었다. 그들이 얻어낸 실험성과를 기술공학적으로 더욱 발전시키면 인류는 태양에너지와 같은 무한에너지(infinite energy)를 사용할 수 있게 되는 것이다. 태양의 핵융합은 섭씨 1,360만도에 이르는 극고온에서 일어나는데, 상온(常溫)에서 그러한 핵융합을 인공적으로 일으킬 수 있다면 그것은 공상을 현실로 만드는 경이로운 사변이 아닐 수 없다. 그리하여 미국 언론은 그들이 실험한 핵융합 반응을 저온 핵융합(cold nuclear fusion)이라 부르며 대서특필하였고, 그들의 실험성공 보도에 자극을 받은 세계 각국의 과학자들은 앞다투어 모방실험을 시도하였다.

그런데 모방실험에서 실패한 과학자들은 플라이슈먼과 폰스가 실험에 성공하지 못하였는데도 마치 성공한 것처럼 실험결과를 과장 또는 조작하였다고 비난하였고, 일부 언론매체는 한 술 더 떠서 그 두 과학자를 사기꾼으로 모는 인신공격성 기사까지 내었다. 논란이 커지자, 1989년 5월 3일 미국 물리학회(American Physical Society)는 상온 핵융합 반응실험은 “무가치하다(invalid)”고 선언하였다.

그보다 앞서 1989년 4월 14일 백악관 국가안보보좌관은 조지 부쉬(George H. W. Bush) 당시 대통령에게 상온 핵융합 반응실험이 성공한 것은 아니나 조사해볼 필요는 있다고 보고하였고, 대통령은 에너지부(Department of Energy)에게 진상조사를 지시하였다. 에너지부는 대통령의 지시에 따라 조사하는 척하다가, 1989년 11월 산하기구인 에너지연구자문위원회 이름으로 상온 핵융합 반응실험을 실패로 규정한 조사보고서를 발표하였다.

당시 세계 과학계와 국제언론이 두 과학자의 실험을 사기극으로 내모는 바람에, 상온 핵융합 반응실험을 의사과학(psuedoscience)이라고 외면하는 풍조가 지금도 세계 과학계에 남아있다.

세계에서 두 번째로 상온 핵융합 반응실험에 성공한 김일성종합대학 연구진

상온 핵융합 반응실험이 난데없이 여론재판 소용돌이에 휘말리며 혼미한 상태에 빠져있던 1989년 5월, 세계 과학계가 관심을 두지 않은 놀라운 사변이 일어났다. 플라이슈먼과 폰스가 상온 핵융합 반응실험을 성공시켰다는 언론보도가 나온 때로부터 한 달 반이 지난 1989년 5월 8일, 김일성종합대학 연구진이 상온 핵융합 반응실험을 성공시켰음을 알려주는 보도가 <로동신문>에 실린 것이다. 이 놀라운 사변을 전한 그 날의 보도기사는 이러하였다.

“상온 핵융합 반응에 대한 연구사업을 힘있게 벌여온 이 대학의 연구집단은 중수 속에 팔라디움 전극과 백금 전극을 넣어 전기분해해 핵융합 반응을 실현했으며, 이 때 나오는 중성자를 기록하는 방법으로 방안온도에서의 핵융합 반응이 일어났다는 것을 확인했다. 대학의 다른 연구집단에서도 유사한 방법으로 실험을 진행해 연구결과를 재확인했을 뿐만 아니라 새로운 현상을 더 관찰했다.”

중수 속에 팔라듐 전극과 백금 전극을 넣고 전기분해를 하여 핵융합 반응을 일으키고, 그 때 나오는 중성자를 관찰하여 핵융합 반응이 일어났음을 확인하였다는 <로동신문> 보도는, 플라이슈먼과 폰스가 진행한 실험과 똑같은 실험이 김일성종합대학 실험실에서도 진행되었음을 말해준다. 또한 김일성종합대학의 다른 연구진도 유사한 방법으로 실험하여 연구결과를 재확인하였으며 새로운 현상도 관찰하였다는 <로동신문> 보도는, 김일성종합대학의 두 연구진이 각각 진행한 상온 핵융합 반응실험을 확실하게 성공시켰음을 밝힌 것이다.

무지와 편견에 사로잡힌 나머지 북측의 과학발전이 개발도상국 수준을 벗어나지 못하였을 것이라고 착각하는 세계 과학계는, 김일성종합대학 연구진이 세계에서 두 번째로 상온 핵융합 반응실험을 성공시켰음을 알지도 못했고, 설령 알았다 하더라도 허위보도로 여겼을 것이다. 미국에서 두 과학자가 성공시킨 상온 핵융합 실험을 사기극으로 몰았던 그들이 사회주의나라인 북측에서 성공한 핵융합 반응실험을 인정할 리 만무하였다. 그러나 김일성종합대학 연구진이 세계에서 두 번째로 상온 핵융합 반응실험을 성공시킨 것은, 그들의 핵융합 관련 과학기술이 매우 높은 수준에 이르렀음을 말해준다.

<로동신문> 1989년 5월 8일부는 김일성종합대학 연구진이 상온 핵융합 반응실험을 성공시킨 것에 대해 이렇게 평가하였다. “대학의 연구집단은 지난 기간 고온 초전도재료를 비롯한 많은 연구성과를 이룩한 데 이어 이번에 또 다시 현 시기 세계 과학계가 큰 관심을 돌리고 있는 상온 핵융합 반응을 실현하는 데서 귀중한 연구결과를 얻어냄으로써 첨단과학분야의 연구에서 세계적 수준에 올라섰다는 것을 뚜렷이 보여주었다.”

상온 핵융합 반응실험에 대한 미국 과학계의 재인식

사기극으로 몰린 상온 핵융합 반응실험은 1989년 이후 어떻게 되었을까? 일부 과학자들은 상온 핵융합 반응실험이 사기극으로 몰린 이후에도 물러서지 않고 그 분야의 연구를 계속하였다.

1989년에 상온 핵융합 반응실험을 실패로 규정했던 미국 에너지부는 2004년부터 태도를 바꿔 상온 핵융합에 관한 연구가 계속될 필요성을 인정하였다. 또한 2005년 4월 28일에 발행된 미국 과학전문지 <네이처>는 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대학교(UCLA) 연구진이 상온 핵융합 반응실험에서 부분적인 성공을 거두었음을 보도하였다. 또한 1989년에 상온 핵융합 반응실험을 무가치하다고 일축했던 미국 물리학회는 2007년 봄에 상온 핵융합 분과를 학회에 내오고 그 분야의 최신 연구결과를 학회에서 발표할 수 있도록 허용하였다.

사기극으로 몰렸던 상온 핵융합 반응실험에 대한 과학적 재평가가 본격화된 때는 실험성공이 세상에 알려진 때로부터 20년이 지난 2009년이다. 상온 핵융합 반응실험을 과학적으로 재평가한 곳은 미국 해군 연구기관이다. 1989년부터 20년 동안 상온 핵융합 연구를 계속해온 미국 해군 우주해양전쟁체계센터(Space and Naval Warfare Systems Center) 연구진은 2009년 3월 미국 화학학회(American Chemistry Society) 제238차 전국회의에서 발표한 연구보고서에서 상온 핵융합 실험에서 핵융합 반응이 일어났음을 알려주는 중성자 발생 증거를 발견하였다고 밝혔다. 그 회의에 참석한 우주해양전쟁체계센터 소속 과학자 파멜라 모시어 보스(Pamela Mosier-Boss)는 “우리는 상온에서 핵융합 반응이 일어나는 강력한 증거를 확보하였다”고 밝혔다.

이처럼 미국 과학계가 상온 핵융합 반응실험을 재평가하고 그 의의를 부각시킨 것은, 그 실험이 사기극이 아니라 과학임을 인정한 것이라고 말할 수 있다.

핵융합장치가 출현하고 진화하다

세계 최초로 핵융합기술을 개발한 나라는 소련이다. 핵융합기술을 개발한 소련인 과학자는 레흐 아찌모비치(Lev Artsimovich, 1909-1973)인데, 그가 이끄는 연구진이 만들어낸 핵융합장치를 토카막(Tokamak)이라고 부른다. 모스크바에 있는 커차토프 연구원(Kurchatov Institute)에서 토카막이 가동된 때는 1956년이다. 노보시비르스크(Novosibirsk)에 건설한 개량형 토카막은 1968년에 시험가동을 시작하였다. 토카막이라는 말은 자석코일(magnetic coil)을 내장한 원환체(圓環體) 가동실(toroidal chamber)을 뜻하는 러시아말(toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami)에서 머리글자를 따내 만든 신조어다.

미국은 1987년부터 러시아, 유럽연합, 일본과 손잡고 핵융합기술을 개발하기 위한 연구에 박차를 가하였다. 그리하여 고온 핵융합기술을 개발하려는 수 십 년 동안의 국제적 연구는 마침내 국제핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor)를 건설하는 국제협력사업으로 결실을 보았다. 옛 소련에서 개발한 토카막이 국제핵융합실험로로 진화하고 있는 것이다.

2005년 12월 미국, 러시아, 유럽연합, 중국, 일본, 인도, 남측에서 각각 파견한 대표단들이 서울에서 국제회의를 열었다. 그들은 국제원자력기구(IAEA)의 조절을 받으며 국제핵융합실험로를 건설하는 국제협약을 체결하였다. 그 협약에 따라, 2007년 10월 프랑스 카다라슈(Cadarache)에서 500메가와트급 국제핵융합실험로를 건설하는 대공사가 첫 삽을 떳다. 50억 달러가 들어가는 그 공사는 2018년에 완공을 목표로 하고 있으며, 2035년에 가서야 실용화된다.

고온 핵융합이란 무엇일까? 진공상태에서 수소의 원자핵은 전자를 버리고 원자핵끼리 뭉쳐 헬륨(helium)으로 변하면서 융합하는데, 그러한 핵융합은 극고온에서 일어난다. 따라서 핵융합을 일으키려면, 섭씨 1억도의 극고온 플라즈마(Plasma, 물질의 제4상태로 이온화된 기체 상태)를 제어하는 최첨단 기술이 요구된다.

미국 에너지부는 핵융합 점화를 위한 세계 최대의 레이저 장치를 10년 동안 연구한 끝에 개발하였다. 축구장 3개를 합친 것만큼 큰 국립점화설비(National Ignition Facility)가 완공된 때는 2009년 3월이다. 이 설비는 섭씨 1억도의 극고온과 1조기압의 극고압을 발생시킬 수 있다고 한다.

남측도 핵융합기술 개발사업에 뛰어들었다. 남측은 1995년에 현대중공업, 삼성중공업, 한국원자력연구원 등 30여 개 기업과 연구소가 공동개발에 착수하여 12년만인 2007년 9월 14일 충청남도 대전시 대덕연구단지 안에 있는 국가핵융합연구소 특수실험동에서 한국 초전도핵융합실험장치(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)를 완공하였다.

2010년 4월 26일 한국 원자력연구원(KAERI) 핵데이터센터 이영욱 소장은 <연합뉴스> 기자에게 “우리가 현재 원자력발전소를 운영하고 있지만, 아직 거기에 들어가는 핵데이터가 믿기지 않을 정도로 부정확하고 많이 향상해야 한다”고 말했는데, 핵기술 수준이 그처럼 낮은 남측이 어떻게 핵융합장치를 만들어낼 수 있었을까? 당시 남측 언론들은 남측이 자체 기술로 핵융합장치를 만들어냈다고 보도하였지만, 그것은 과장보도다. 이를테면, 핵융합장치에 초전도 자석을 사용하는 기술은 중국이 세계에서 처음으로 개발한 것이다. 중국의 핵융합장치인 ‘중국환류기 2호A’가 방전(放電)실험에 처음 성공한 때는 2006년 9월이다. 남측은 중국이 개발한, 초전도 자석을 사용하는 기술을 개량하였는데, 그러한 개량기술이 국제적으로 인정받아 2003년부터 국제핵융합실험로 건설에 뒤늦게 참여할 수 있었다.

그것만이 아니라, 미국과 일본이 남측의 핵융합장치 개발에 깊숙이 개입하였다. 미국 중앙정보국(CIA) 한국지부가 남측의 핵개발을 일상적으로 감시하는 것은 말할 것도 없고, 미국 에너지부가 2,600만 달러, 일본 정부가 2,000만 달러를 각각 투자하여 남측의 핵융합장치 핵심부품을 개발하는데 참여하였고, 운영에도 관여하고 있다. 자기공명영상장치(MRI)를 제작하는 기술, 탄화규소(SiC) 나노분말을 제조하는 같은 첨단기술은 미국과 일본이 전략기술로 관리하고 있어서 남측은 수입해야 한다. 핵융합장치 안에서 플라즈마를 일으키며 전자를 가열하는 값비싼 핵심장비인 110GHz 자이로트론(Gyrotron)은 미국 에너지부 산하기관인 제너럴 아토믹스(General Atomics)가 남측에 무상으로 빌려준 것이다.

북측이 자력으로 정복한 핵융합기술

2010년 5월 12일 <로동신문>은 “우리 식의 독특한 열핵반응장치를 설계제작하였다”고 보도하였고, 핵융합기술에 대한 설명을 곁들이면서 그 기술을 자체로 개발하였음을 알리는 기사를 5월 15일에 또 다시 실었다. 그런데도 남측의 정부당국자들과 전문가들은 그 보도가 믿어지지 않는다는 반응을 보였다. 그도 그럴 것이, 남측이 핵융합장치(KSTAR)를 만들면서 제작비를 3,090억원이나 들였는데, 북측이 그처럼 많은 자금을 어떻게 댈 수 있었겠는가 의심하는 것이고, 또한 남측은 미국과 일본의 첨단기술에 의존하여 핵융합장치를 제작하였는데 북측은 자력으로 그 장치를 제작하였다니 도무지 믿지 못하겠다는 소리다.

그러나 북측의 과학기술과 자금동원에 의심의 눈초리를 보내는 것은 북측 내부사정을 알지 못하고 왜곡선전에만 익숙해진 무지와 편견의 소산이다. 적은 자금을 들이고서도 첨단기술을 자력으로 개발하는 효율성이야말로 사회주의자력갱생의 우월한 특징이 아닌가. 무지와 편견을 드러낸 그런 반응은 논할 가치가 없으므로, 위의 보도기사를 분석적으로 읽어내어 북측의 핵융합기술에 대한 중요한 정보를 파악할 필요가 있다.

첫째, 북측은 상온 핵융합 반응실험에 성공한 1989년 이후 20년 동안 핵융합기술을 개발하기 위해 끊임없이 노력해왔다.

북측은 김정일 국방위원장이 제시한 과학기술 중시사상을 과학기술발전 국책사업에 직접적으로 반영하여 7대 첨단과학분야를 현대화하는 아름찬 계획을 실행해왔다. 그 계획에서 눈길을 끄는 것은 에너지 분야와 핵에너지 분야인데, 에너지 분야에서는 수소에너지기술, 레이저기술, 플라즈마기술을 개발해왔고, 핵에너지 분야에서는 “핵융합기술의 지속적 발전”을 추구해왔다. 북측이 오래된 기술인 원자력기술을 발전시키는 것이 아니라 최첨단을 달리는 차세대기술인 핵융합기술을 개발해왔다는 점을 주목할 필요가 있다.

<로동신문> 5월 12일부 보도기사는, “우리의 과학자들은 최첨단을 돌파할 데 대한 당의 사상과 의도를 결사관철할 비상한 각오를 가지고 핵융합기술을 우리 식으로 개발하기 위한 줄기찬 투쟁을 벌려왔다”고 지적하였다. 여기서 눈길을 끄는 것은 ‘우리 식’으로 개발한다는 표현이다. 이 표현은, 과학기술강국들이 개발한 핵융합기술을 모방하는 것이 아니라 독창적인 핵융합기술을 개발해왔음을 말해주는 것이다.

둘째, 위의 보도기사에 따르면, “부족하고 어려운 것이 많은 속에서도 우리의 과학자들은 사소한 주저와 동요도 없이 제기되는 수많은 과학기술적 문제들을 100% 자체의 힘으로 해결함으로써 마침내 핵융합 반응에 성공하였다”고 지적하였다. 이것은 김일성종합대학 연구진이 1989년 5월에 상온 핵융합 반응실험을 성공시킨 뒤로, 북측 과학자들이 일시적인 실패와 거듭되는 난관에 물러서지 않고 핵융합 반응실험을 계속 진행하여 마침내 이전과 다른 방식의 핵융합 반응실험을 성공시켰음을 말해준다. 핵융합 반응실험을 성공시켰다는 말은 핵융합기술을 개발하였다는 뜻이다.

위의 보도기사는 이전과 다른 방식의 핵융합 반응실험을 성공시킨 때가 언제였는지 밝히지 않았으나, 성공사실을 공개하지 않아 외부에서 모르고 있었던 것이지, 실제로는 꽤 오래 전에 성공하였던 것으로 보인다. 다른 한편, 1989년의 핵융합 반응실험은 김일성종합대학 연구진이 진행하였는데, 이전과 다른 방식의 핵융합 반응실험은 어느 연구진이 진행하였는지 밝히지 않았다. 이것은 이전과 다른 방식의 핵융합 반응실험을 대학 연구사업이 아니라 국책연구사업으로 추진해왔음을 강하게 암시한다.

사회주의 자력갱생의 토카막에 비낀 인공태양의 꿈

<로동신문> 2010년 5월 12일부 보도기사는 “이 과정에 우리 식의 독특한 열핵반응장치가 설계제작되고 핵융합 반응과 관련한 기초연구가 끝났으며 열핵기술을 우리 힘으로 완성해나갈 수 있는 강력한 과학기술력량이 마련되였다”고 지적하였다. 북측 과학자들은 과학기술강국에 의존하지 않고 자력으로, 다른 나라의 기술을 모방하지 않고 독창적인 기술로 독특한 핵융합장치를 만들어낸 것이다.

위의 보도기사에 나오는 열핵반응장치(thermonuclear reaction device)란 핵융합장치(nuclear fusion device)를 뜻하고, 열핵기술이란 핵융합기술을 뜻한다. 위의 보도기사는 북측 과학자들이 “태양절을 맞는 뜻깊은 시기에” 핵융합장치를 만들었다고 지적함으로써, 2010년 4월 중순에 그 장치를 완성하였음을 암시하였다. 북측에서 만든 독특한 핵융합장치를 다른 말로 표현하면 실험용 토카막(experimental Tokamak)이다.

플라즈마를 제어하는 방식에 따라 핵융합 종류를 구분하면 자기장(magnetic field) 핵융합과 레이저(laser) 핵융합으로 나뉘고, 핵융합을 일으키는 유형에 따라 핵융합 종류를 구분하면 중수소-삼중수소(D-T) 핵융합, 중수소-중수소(D-D) 핵융합, 중수소-헬륨(D-³He) 핵융합으로 나뉜다. 이런 분류법으로 살펴보면, 북측이 만든 독특한 핵융합장치는 극고온 플라즈마를 제어하는 새로운 기술과 중수소(deuterium)-삼중수소(tritium) 핵융합을 일으키는 새로운 기술을 결합한 최첨단 설비가 아닌가 생각된다.

미국, 러시아, 중국은 핵융합장치를 무기화하여 수소폭탄을 만들었다. 이를테면, 1951년 5월 25일 오전 6시 17분 미국이 태평양 마샬군도(Marshall Islands)에 있는 에니위톡 환초(Enewetak Atoll)에서 실시한 수폭실험은 중수소-삼중수소 개스를 농축우라늄(enriched uranium)에 장입시킨 핵융합장치를 터뜨린 것이다. 그 장치를 강화형 핵무기(boosted fission weapon)라 부른다. 61m 높이의 철탑 위에 설치한 그 장치의 폭발력은 45.5 킬로톤이었는데, 그것은 1945년 8월 6일 히로시마에 떨어뜨린 핵폭탄보다 약 세 배나 강한 폭발력이었다.

북측이 사회주의자력갱생의 토카막을 만들어낸 성과는 어떠한 의의를 가지는 것일까? 위의 보도기사는 “우리의 과학자들이 핵융합에 성공함으로써 새 에네르기 개발을 위한 돌파구가 확고하게 열리였으며 나라의 최첨단 과학기술발전에서는 새로운 경지가 개척되였다”고 지적하였다. 북측이 만든 사회주의자력갱생의 토카막은, 핵기술의 최고 경지인 핵융합기술을 자력으로 정복한 과학기술강국의 경지에 올랐음을 말해주는 것이다.

자력으로 핵기술의 최고 경지에 오른 북측이 개발하고 있는 것은 핵융합에너지다. 북측의 최종 목표는 핵융합로(nuclear fusion reactor)를 건설하는 것이다. 핵융합로는 이산화탄소를 발생하지 않아 지구온난화 주범인 온실가스를 배출하지 않을 뿐만 아니라, 방사성 폐기물도 원자로의 0.04%에 지나지 않는 중준위 및 저준위 폐기물만 배출하는데, 그 폐기물도 일정기간이 지나면 재활용할 수 있고, 폭발위험이나 방사성 누출위험도 없다. 핵융합로는 이처럼 친환경적이고 안전한 조건에서 무한정한 인공태양 에너지를 만들어낼 수 있는 것이다.

<로동신문> 2010년 5월 12일부에 나온 짤막한 보도기사만 봐서는, 북측이 핵융합로 건설을 언제 시작할지 가늠하기 힘들다. 중요한 것은, 북측이 다른 과학기술강국들의 핵융합기술과 구별되는 독창적인 핵융합기술을 개발함으로써 핵융합로 건설에 한 걸음 다가섰다는 사실이다. 인류가 꿈꾸는 핵융합 발전소가 북측에 건설되는 날, 그들이 만든 자력갱생의 인공태양은 무한광열을 내뿜으며 타오를 것이다. (2010년 5월 17일 통일뉴스)