2023년 1월 북한 김정은 국무위원장은 조선노동당 전원회의를 통해 “핵탄 보유량을 기하급수적으로 늘릴 것”을 지시하며 북한의 핵전력 건설 정책에 새로운 국면을 예고했다. 이 같은 발언은 단발적인 수사가 아닌 이후 연설과 국가 차원의 행사에서 반복 강조되며 북한의 정책 방향으로 자리 잡았다.
김 국무위원장은 2024년 9월엔 “공화국의 핵전투무력은 철통같은 지휘통제체계 안에서 운용되고 있으며 우리는 지금 핵무기 수를 기하급수적으로 늘일 데 대한 정책을 드팀없이 관철하고 있다”고 강조했다. 핵무력의 양적 팽창을 중심으로 한 군사력 증강 움직임을 재확인했다.
기하급수란 단어는 수학의 지수함수에서 유래한 용어로 일반적으로 어떤 수치나 현상이 짧은 시간에 빠르게 증가하는 것을 의미한다. 북한의 핵무기 관련 정책이 단기간 내 핵물질 생산의 획기적 증대로 이어질 것을 시사하는 것이라 주목되는 주장이다.
이와 관련해 한국국방연구원(KIDA) 이상규 핵안보연구실장이 ‘최근 북한의 핵무기 생산 능력 변화 분석과 비핵화 고려사항’이라는 보고서를 내놓고 김 국무위원장이 “기하급수적 핵무기 증산” 지시 이후 북한의 핵물질 생산 능력이 실제로 어떻게 변화하고 그것이 핵무기 생산에 미친 영향은 무엇인 지에 대해 분석해 살펴봤다.
보고서 결론부터 보면, 북한의 핵무기 보유 수준은 두 가지 핵물질로 가늠했다. 고농축우라늄(HEU)과 무기급 플루토늄의 축적 속도와 양으로 결정된다는 가정하고 우라늄탄 1발당 HEU 25㎏, 플루토늄탄 1발당 플루토늄 4~5㎏ 소요를 기준으로 설정했다.
이를 북한이 운영 중인 원심분리기 기반의 농축시설 및 흑연감속로 기반의 재처리 설비의 연간 추정 생산 능력과 설비 증설 추세를 반영해 산술적 핵탄두 수량을 산출했다. 이에 따라 북한은 2025년까지 약 127~150발, 2030년까지 약 201~243발, 최종적으로 2040년까지는 약 344~429발 수준의 핵무기를 보유할 수 있는 물리적 기반을 확보할 것으로 추정됐다.
이 같은 결과는 핵물질의 생산량에 기반한 이론적 환산치에 불과하다는 의미를 넘어, 북한이 핵무기의 대량 생산 및 전략적 운용을 위한 조건에 도달할 수 있다는 것을 시사해 주목된다.
북한의 핵무력 기반이 되는 영변 우라늄 농축시설은 2022년 이후 주목할 만한 변화가 진행됐다. 기존 농축 건물에 약 23m × 50m(약 1150㎡) 규모의 새로운 건물이 추가로 건설됐다. 위성영상 분석 결과 이 건물은 보조 농축 동(Annex)으로 내부에는 최대 6개의 캐스케이드 설치가 가능한 구조로 평가된다.
이 덕분에 기존 영변 우라늄 농축시설은 원심분리기 약 6000기를 수용할 수 있는 시설로 개조된 것으로 추정된다. 이 같은 분석을 뒷받침하듯 2025년 1월 조선중앙통신이 보도한 김정은의 우라늄 농축시설 시찰 사진에는 영변 농축시설과 유사한 구조물이 다수 포착됐다. 국제원자력기구(IAEA) 역시 “공개된 사진 속 내부 구조와 원심분리기 배열은 영변 농축시설의 물리적 구조와 일치한다”고 평가했다.
따라서 영변 농축시설의 단계적인 증설과 최근 공개된 내부영상정보는 이 시설이 핵연료를 위한 저농축 우라늄 생산시설에서 벗어나 북한의 무기급 핵물질 확보를 위한 핵심 거점으로 전환돼 지속적인 핵물질 생산 인프라 확충으로 이뤄지는 것으로 보인다고 보고서는 분석했다.
최근에는 전례 없는 규모의 신규 건물이 영변 핵단지 내에 새롭게 건설되고 있는 정황이 포착됐다. 상업용 위성영상 분석에 따르면 신규 건물은 가로 48m, 세로 120m에 달하는 대형 직사각형 단층 구조다. 총면적은 약 5760㎡에 달한다. 최초 영변 농축시설(가로 16m × 세로 120m) 대비 폭 기준으로 세 배에 해당하는 크기로 대규모 핵물질 생산시설일 가능성을 암시한다.
게다가 직사각형 평면 구성 및 보조 기반시설 배치 패턴 등은 모두 대용량 원심분리기 캐스케이드 설치를 위한 설계 기준과 부합한다. 무엇보다 건물 폭이 48m에 달한다는 점은 일반적인 4열 캐스케이드 설계 기준으로 최소 두 줄 이상의 병렬 농축라인을 수용할 수 있는 공간으로 이는 고농축우라늄의 대량 생산 능력 확보를 염두에 둔 설계일 가능성이 크다고 보고서는 분석했다.
이 건물이 실제로 우라늄 농축을 위한 신규 시설일 경우 북한은 영변 내 증축된 기존 농축시설, 강선 농축시설에 더해 총 세 곳 이상의 독립적인 대규모 농축 인프라를 운영할 것으로 단순한 수적 확대를 넘어 북한의 핵물질 생산체계가 다층화되고 있음을 의미한다고 보고서는 평가했다.
상업용 위성영상에 기반한 분석에 따르면 강선 단지 내 핵심 건물은 약 가로 50m, 세로 114m(총면적 약 5,700㎡) 규모로 파악된다. 이는 다수의 원심분리기 캐스케이드를 병렬적으로 설치할 수 있는 공간적 여유를 확보한 건물도 포착됐다. 해당 건물은 외부 노출이 거의 없는 밀폐형 구조며 차량 및 인력의 이동을 통제하는 도로망, 보조설비 건물, 통제시설이 함께 배치돼 고도의 보안성과 은닉성을 추구한 전형적인 군사시설의 형태를 보인다.
강선 시설의 건설 시점은 2002년 전후로 추정되는데 이는 공교롭게도 미국이 북한의 비밀 우라늄 농축 프로그램 존재를 공식적으로 지적한 시점(2002년 10월)과 일치한다. 이러한 정황은 강선 시설이 단순한 추정이 아닌 2000년대 초부터 북한이 영변 외 별도의 HEU 생산기지를 구축해왔다는 물리적 근거라고 보고서는 추측했다.
이처럼 북한이 보유하고 있는 주요 우라늄 농축시설인 강선, 영변, 최근 위성영상으로 포착된 신규 영변 농축 건물은 연간 분리능력과 이를 통한 HEU 생산 가능량, 핵탄두 생산량(25kg 기준), 농축능력을 기반으로 할 때, 북한의 연도별 핵물질 생산량과 누적 핵무기 보유 가능량은 다음과 같이 추산된다.
2010년부터 2022년까지는 기존 강선 및 영변 시설을 통해 연간 약 180㎏의 HEU을 생산했고 이를 핵무기로 환산하면 연간 약 7~8발의 우라늄탄 생산 능력에 해당한다. 이후 강선 증설 구역과 영변 Annex가 가동되기 시작한 2023~2025년에는 연간 약 200㎏에 달하는 HEU를 확보해 8~9발 생산 수준으로 확대된 것으로 추정된다.
게다가 2026년 이후 영변의 새로운 농축시설이 본격적으로 가동되면 연간 HEU 생산량은 약 320㎏으로 상승해 이는 연간 13~17발 수준의 핵탄두 생산이 가능할 것으로 보인다고 보고서는 추산했다.
이러한 시나리오를 적용하면 북한은 2025년까지 약 115~131발의 우라늄탄을 누적 보유하고, 이후 생산이 지속될 경우 2030년경에는 180~216발, 2040년경에는 310~386발에 이르는 핵탄두 보유가 이론적으로 가능하다고 보고서는 평가했다.
이 같은 추정을 기반으로 보고서는 향후 북미협상에서도 핵물질 생산 능력 자체를 직접 제한하려는 시도 보다는 유연한 인식을 바탕으로 북한의 핵능력 확장을 제한할 수 있는 체계적인 비핵화 협상 로드맵 설계가 필요하고, 이를 위한 세 가지 방안을 제시했다.
우선 ‘시간 요소를 고려한 단계적 접근’이 요구된다고 봤다.
북한의 핵물질 생산은 우라늄 농축시설 확충을 중심으로 증가하는 경향을 보이며 협상이 지연될수록 북한이 확보할 수 있는 핵탄두 수는 지속해서 증가하게 된다. 이는 협상에서 북한이 실질적 이익을 더욱 쉽게 확보할 수 있는 구조를 만들게 돼 결과적으로 협상력 및 비핵화의 실효성 약화로 귀결된다. 따라서 조기 합의나 부분적 동결을 통해 생산을 제한하는 접근의 모색이 필요하다고 강조했다.
다음으로 향후 협상의 중심에는 플루토늄 및 고농축우라늄을 포함한 핵물질의 생산·보관·사용 통제 조치가 반드시 포함돼야 한다고 지적했다.
북한은 공개된 영변 시설 외에도 비공개 농축시설을 통해 우라늄 농축을 지속하고 있을 가능성이 크다. 특히 농축시설은 위장이 용이하고 위성 영상으로 탐지하기 어려운 특성을 지닌다. 따라서 양적 생산 제한과 투명한 핵시설 및 핵물질 신고, 국제기구의 실질적 검증체계 도입 등이 협상의 본질적 논의 대상이 돼야 한다는 당부다.
마지막으로 북한의 완전하고 검증 가능하며 불가역적인 비핵화(CVID)는 여전히 국제사회가 지향해야 할 장기적 목표고 북미협상의 최종 목표가 돼야 한다. 그러나 현실적으로 북한이 이미 상당 규모의 핵물질과 핵탄두를 보유하고 있을 가능성이 있고 그 수량이 지속해서 증가할 것으로 예상하는 상황에서 단기간 내 핵무기 전면 폐기를 전제로 한 협상은 현실적인 한계를 가질 수 있다.
이에 초기 협상 단계에서는 위험감소(Risk Reduction)를 핵심 전략으로 병행할 필요가 있다고 제안했다. 예를 들어 핵탄두의 실전배치 지연과 핵물질 추가 생산 중단, 우발적 충돌 방지를 위한 군사적 신뢰구축 조치 등은 실질적인 위협 억제를 도모하는 동시에 장기적으로 CVID로 이행하기 위한 현실적 초기 조치로 기능할 수 있다는 것이다.
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