이상규 육군사관학교 물리학 조교수 핵·WMD방호연구센터 연구원

북한은 지난 2021년 1월 5일부터 12일까지 8일에 걸쳐 제8차 당대회를 개최하였다. 제8차 당대회 사업총화보고는 「1. 총결 기간 이룩된 성과」, 「2. 사회주의 건설의 획기적 전진을 위해」, 「3. 조국의 자주적 통일과 대외관계 발전을 위해」, 「4. 당 사업의 강화발전을 위해」 등의 분야로 요약 및 발표되었다. 그 중 핵무기 개발 등 핵억제력 강화에 대한 내용은 ▲원자력추진 잠수함 개발, ▲사거리 1만 5,000km 대륙간탄도미사일(ICBM)의 명중률 제고, ▲다탄두개별유도기술, ▲수중 및 지상고체발동기 대륙간탄도로케트 개발사업, ▲핵무기의 전술무기화 및 전술핵무기 개발, ▲초대형 핵탄두 생산, ▲극초음속 활공 비행 전투부(탄두) 개발 등으로 정리될 수 있다.

이렇듯 핵무력 증강과 관련해서 많은 내용을 언급하였는데, 이 글에서 집중적으로 논의하고자 하는 부분은 우리에게 지대한 영향을 줄 수 있는 핵무기의 전술무기화와 전술핵무기에 대한 내용이다. 제8차 당대회 사업총화보고에서의 전술핵 관련 내용은 「1. 총결 기간 이룩된 성과」에서는 “총결 기간 이미 축적된 핵기술이 더욱 고도화해 핵무기를 소형경량화, 규격화, 전술무기화하고 초대형 수소탄 개발이 완성됐으며 2017년 11월 29일 당중앙위원회는 대륙간탄도로켓 ‘화성포-15’형 시험발사의 대성공으로 국가 핵무력 완성의 역사적 대업, 로켓 강국 위업의 실현을 온 세상에 긍지 높이 선포했다”라고 언급되었다. 그리고 「2. 사회주의 건설의 획기적 전진을 위해」에서는 “핵기술을 더욱 고도화하는 한편 핵무기의 소형경량화, 전술무기화를 보다 발전시켜 현대전에서 작전 임무의 목적과 타격 대상에 따라 다양한 수단으로 적용할 수 있는 전술핵무기들을 개발하고 초대형 핵탄두 생산도 지속해서 밀고 나감으로써 핵 위협이 부득불 동반되는 조선반도 지역에서의 각종 군사적 위협을 주동성을 유지하며 철저히 억제하고 통제·관리할 수 있게 해야 한다”라고 발표되었다. 해당 사업총화보고에서는 현재 개발된 전술무기화 현황과 향후 개발할 전술핵무기에 대해서 강조하였다고 할 수 있다.

이에 이 글에서는 북한의 전술핵무기 개발 가능성 및 핵실험 필요성과 이와 관련된 핵전략 및 핵지휘통제체계 측면에서의 함의 등에 대해서 분석해보았다.

  우선 제8차 당대회 사업총화보고에서 언급된 핵기술 관련 용어에 대해서 의미를 되짚어 보고자 한다. 특히 ▲소형경량화, ▲전술무기화, ▲전술핵무기, ▲초대형 수소탄, ▲초대형 핵탄두 등의 정의를 북한 핵무기의 현재 기술 수준을 바탕으로 분석해 보았다.

  소형경량화는 미사일 탑재를 위하여 핵탄두의 크기와 무게를 줄이는 것을 의미한다. 그 중 소형화는 중거리 및 단거리미사일에 탑재 가능하도록 핵탄두의 지름을 1m 이하로 줄이고 폭발 위력도 약 10kt 이하로 만드는 것이다. 경량화는 미사일에 탑재할 수 있도록 탄두의 총 질량을 수백 kg 이하로 가볍게 제조하는 것을 의미한다. 다음으로 규격화는 대량생산이 가능토록 각종 핵무기 부품의 제원, 물질 종류 등을 일정하게 통일하는 것을 의미한다.

[그림 1] 북한이 공개한 기(旣) 개발 핵탄두

  그리고 전술무기화는 기존에 개발한 핵탄두 중 [그림 1]의 2016년 3월 9일에 공개된 핵탄두를 스커드 계열 및 KN-23·24 등의 단거리미사일에 탑재하여 전술적 목적으로 사용하는 것을 의미한다고 할 수 있다. 특히 2019년 공개한 KN-23은 지름이 0.95m이고 탑재중량은 500kg 정도이며, KN-24는 지름이 0.7~0.85m이고 탑재중량이 400~500kg 정도로 추정된다. 따라서 2016년 3월 9일에 공개한 핵탄두를 KN-23·24에 탑재할 수 있을 것으로 판단된다.

  전술무기화는 기존 핵무기를 전술적으로 활용하는 것이지만 전술핵무기는 새로운 무기를 개발하는 개념이다. 전술핵무기는 핵탄두의 크기를 KN-25와 같은 초대형방사포 및 240밀리·170밀리 등과 같은 장사정포에 탑재할 수 있는 크기로 소형경량화시켜 전술적 목적으로 사용하는 것을 의미한다. KN-25의 지름(외경)은 약 0.6m(600mm)이며 탑재중량은 300~400kg 정도로 판단되기 때문에 기존에 개발한 증폭핵분열탄은 탑재가 제한된다. 따라서 새로운 종류의 더욱 소형화된 핵탄두를 추가로 개발해야 한다.

  참고로 초대형 수소탄은 2017년 9월 3일 개발한 핵탄두로 6차 핵실험에 사용된 것으로 추정된다. 이 수소탄은 화성-15·16 등의 ICBM급 미사일과 북극성 계열의 SLBM에 탑재될 것으로 예상된다. 반면 초대형 핵탄두는 수백 kt급으로 위력이 향상된 수소탄을 추후에 개발하여 ICBM급 미사일 및 SLBM 등에 탑재를 추진할 것으로 판단된다.

  그렇다면 북한이 전술핵무기를 실제로 개발할 가능성이 있는지 평가해 보도록 하겠다.

  북한의 전술핵무기 개발 가능성을 ➊위력 대 중량, ➋핵물질 수급, ➌핵탄두 형태 등을 기준으로 미국의 핵무기 기술수준 등과 비교하여 평가해 보았다.

  첫 번째 평가 요소는 ‘위력 대 중량’ 척도이다. ‘위력 대 중량’은 핵탄두의 단위 중량당(kg) 위력(kt)을 표현한 것이다. 이 값은 ▲폭발형태, ▲기술수준, ▲반응효율 등에 따라 결정된다. [그림 2]와 같이 미국의 ‘위력 대 중량’을 기준으로 하였을 경우, 핵분열탄은 0.001~0.1kt/kg, 증폭핵분열탄은 0.1~0.5kt/kg, 수소탄은 0.1~5kt/kg 정도의 값을 갖는다.

  북한의 5차 핵실험 위력과 2016년 3월 9일에 공개한 핵탄두를 기준으로 평가하였을 때 북한 증폭핵분열탄의 ‘위력 대 중량’은 0.025kt/kg 정도로 분석되었다. 그리고 6차 핵실험과 2017년 9월 3일에 공개한 수소탄을 기준으로 평가해 보면 수소탄의 ‘위력 대 중량’은 대략 0.17kt/kg 정도로 계산되었다.

[그림 2] 미국 핵탄두 및 북한의 5·6차 핵실험 탄두 ‘위력 대 중량’ 수치

  [그림 2]에서와 같이 북한의 증폭핵분열탄의 ‘위력 대 중량’ 값(0.025kt/kg)은 미국의 초기 전술핵탄두 W-25, W-79, W-54 등과 유사한 값을 보였다. 따라서 북한의 현재 증폭핵분열탄 기술수준을 고려할 때 [표 1]과 같이 ’60~’70년대 미국의 초창기 전술핵무기와 같은 수준의 핵무기를 단기간 내에 개발할 가능성이 있는 것으로 추정된다.

[표 1] 미국의 초창기 전술핵무기

  다음으로 핵무기는 무기급 플루토늄이나 고농축우라늄 등의 핵물질을 사용하여 생산하기 때문에 핵물질의 수급과 관련해서 전술핵무기의 개발 제한 여부를 평가할 수 있다.

  무기급 플루토늄은 흑연감속로를 가동하여 만들어진 사용후핵연료를 재처리해서 생산할 수 있다. 다만 현재 영변 흑연감속로의 가동여부가 확실하지 않기 때문에 북한이 핵탄두 생산을 위해 플루토늄 대신 고농축우라늄을 주원료로 사용할 가능성도 있다. 그리고 고농축우라늄은 고농축시설을 가동하여 생산할 수 있다. 북한은 우라늄 광산 및 정련시설 등도 보유하고 있기 때문에 자체적으로 제한없이 고농축우라늄을 생산할 수 있다.

  더불어 핵탄두에 수 g의 중수소·삼중수소 가스를 넣게 되면 아래 식과 같이 중성자를 추가로 생성할 수 있기 때문에 분열효율을 20~30% 높이고 위력도 2~3배 증대하는 것이 가능하다. 이렇듯 핵분열탄에 중수소와 삼중수소 가스를 넣는 것은 증폭핵분열탄의 기본원리로 소형경량화의 핵심기술이라고 할 수 있으며, 5차 핵실험 탄두가 이와 같은 원리가 적용된 증폭 핵분열탄으로 평가된다.

3 H + 2 H → 4 He + n

  삼중수소 생산은 아래 식과 같이 리튬-6(6Li)을 원자로에 넣어 중성자 조사 후 생산할 수 있으며 중수소는 해수를 전기분해하여 얻어낼 수 있다.

6 Li + n → 3 H + 4 He

  따라서 북한은 핵무기 소형화에 필요한 플루토늄, 우라늄, 삼중수소, 중수소 등과 같은 핵물질을 자체 생산할 수 있기 때문에 전술핵무기 생산에 제한은 없을 것으로 판단된다.

  마지막으로 핵탄두 형태 측면에서는 전술핵무기의 사용목적 및 기술수준에 따라 증폭핵분열탄 및 위력조절형 수소탄 등의 개발 가능성을 평가할 수 있다. 소형 핵분열탄은 내부 고폭장약의 폭발에 의한 핵물질 밀도 상승에 제한이 있기 때문에 순수 임계질량에 의한 선형내폭을 유도해야 한다. U-235의 임계질량은 47kg이며 반사체가 있을 경우 약 15kg이지만, 선형 내폭을 유도하기 위해서 약 47kg 정도가 필요할 것으로 예상된다. U-235 47kg을 구형태로 가정하였을 때 반경은 약 7cm 정도다.

  그리고 Pu-239의 경우 선형내폭을 유도하기 위해서는 약 10kg이 필요할 것으로 판단되며, 이때 반경 5cm 정도이다. 사실 1kg의 핵물질이 모두 반응할 경우 17.5kt 위력이 발생하지만, 선형내폭의 특성상 전술핵무기는 효율이 낮아 0.2%만 반응한다고 가정하였을 때 43t 위력만 유도할 수 있다. 따라서 약 10kg의 핵물질을 사용한다고 하더라도 약 0.4kt의 위력만 발휘할 수 있다. 북한의 ‘위력 대 중량’ 등의 핵무기 기술 수준을 고려하였을 때 이와 같은 선형내폭 유도 방식의 소형 핵분열탄을 개발하는데 기술적 어려움은 없을 것으로 추정된다.

  그리고 소형 핵분열탄 형태보다 더 진전된 전술핵무기 기술은 수소탄의 위력을 조절하는 방식이다. 미국이 보유한 B-61 핵폭탄은 수소탄으로 0.3~340kt 위력을 다이얼식으로 조절이 가능하다. 이는 ‘위력대 중량’ 측면에서 북한의 현 수소탄 기술수준보다 효율이 3배 정도 높은 것으로 평가된다.

  따라서 북한 핵무기의 기술수준과 원활한 핵물질 수급 등을 고려 시 전술핵무기 개발에는 제한이 없을 것으로 판단된다. 다만 북한은 초기에 핵분열탄 형태의 전술핵무기를 개발할 것으로 평가되지만 수소탄의 기술수준을 지속적으로 높인 후에는 다이얼식 위력조절이 가능한 소형 수소탄을 개발할 것으로 전망된다.

  북한은 새로운 전술핵무기를 개발하면서 이에 대한 정상작동 여부를 검증하기 위한 핵실험도 추진할 가능성이 매우 크다. 특히 핵탄두의 직경을 60cm에서 20~50cm 정도로 줄여야 하며, 핵폭발에 있어 핵물질의 고밀도 상태가 아닌 일반밀도에서 핵폭발이 일어나는 선형내폭을 유도해야 한다.

  그리고 수백t~수kt의 저위력 목적에 맞는 핵반응 효율도 조절해야 한다. 이처럼 기존에 개발된 핵탄두보다 ▲소형화, ▲선형내폭 유도, ▲위력조절 등의 추가적인 기술이 요구되어 이를 확인하기 위해 핵실험을 단행할 가능성이 있다.

  실제 핵실험을 단행 이전에는 컴퓨터 시뮬레이션, 고폭실험, 임계전 핵실험 등의 사전 검증의 진행도 가능하겠다. 고폭실험을 할 경우 폭발구 크기는 수십 cm~1m 이하로 작아질 것이다.

[그림 3] 미국 Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)의 임계전 핵실험 장비

  임계전 핵실험은 [그림 3]과 같은 장비를 활용하여 핵분열 연쇄반응을 일으키기 직전까지 초고온 및 초고압을 가해 물질들의 거동 정보와 무기화 정보를 획득하는 실험이다. 북한도 전술핵무기의 임계전 핵실험을 통해 핵무기 성능 및 부품의 신뢰성을 확인할 것으로 예상된다.

  사전 검증과정이 마무리되면 실제 핵실험을 진행하게 될 텐데 이때 풍계리 핵실험을 복구하거나 새로운 핵실험장을 건설할 가능성이 있다. 북한은 2018년 5월 24일에 풍계리 핵실험장의 폐기를 발표하였고, [그림 4]는 관련 시설의 폭파 사진을 보여준다. 당시 한국·미국·중국·러시아·영국 등의 기자단을 초청하여 갱도 및 지원시설을 폭파하였다.

[그림 4] 2018년 5월 24일 풍계리 핵실험장 폭파 사진

  그럼에도 불구하고 폐기과정에서 전문가에 의한 검증이 없었기 때문에 완전한 폐기 여부에 대한 판단은 제한된다는 평가가 있었다. 따라서 만약 복구가 가능한 수준에서 갱도 내부를 폭파시켰다면 일정 기간 복구 후에 핵실험 실행도 가능할 것으로 추정된다. 혹은 갱도들을 완전하게 붕괴시켰다면 새로운 장소에서 핵실험장을 건설할 가능성도 있다.

[그림 5] 북한 핵무기연구소 부소장 브리핑 장면

  전술핵무기의 위력은 북한의 기존 핵실험보다 낮을 것으로 예상되기 때문에 [그림 5]와 같이 북한이 공개한 1·2·3·4번 갱도들보다 심도가 깊을 필요가 없을 것으로 판단된다. 그만큼 핵실험장의 복구 및 건설 기간이 길지 않을 것이다.

  만약 북한이 전술핵무기를 개발하여 실전배치한다면, ▲공세적 핵태세 구축, ▲고강도 국지도발 감행, ▲현상변경을 위한 강압 등의 핵전략을 구사할 것으로 예상된다.

  첫 번째로 북한은 총체적 국력과 재래식 전력의 열세를 만회하기 위해 공세적이고 비대칭적 핵전략을 구축할 것으로 전망된다. 특히 8차 당대회 때 “핵 선제 및 보복 타격능력을 고도화 할 데 대한 목표가 제시됐다. 국가방위력이 적대세력들의 위협을 영토 밖에서 선제적으로 제압할 수 있는 수준으로 올라섰다”고 보고한 부분에서 ‘핵 선제 불사용 원칙’을 채택하지 않을 것이라는 것을 확인할 수 있다.

[표 2] 북한의 핵능력 수준에 따른 핵전략 전망

  그리고 [표 2]에서와 같이 핵능력에 따라 핵전략을 전망할 수 있는데, 전술핵무기가 실전 배치되면 공세적 군사전략과 접목되어 전략·전술·작전 등의 전 영역에서 핵무기가 활용될 것으로 예상된다.

  두 번째로 재래식 도발 시 억제수단으로 전술핵 사용 등을 가지고 위협할 가능성이 있다. 우선 대내적 불안요인이 증대될 경우 우리나라를 대상으로 고강도 재래식 국지도발을 감행할 수도 있다.

  이 때 한·미의 대응을 전술핵무기 등의 핵무기 사용으로 위협하며 억제를 시도할 수도 있겠다. 이와 같은 사례로는 2014년에 러시아가 크림반도 합병과 동우크라이나 분쟁에서 전술핵무기의 배치추진 등을 통해 위협하며 분쟁을 유리하게 끌고 갔던 것이 대표적이라고 할 수 있다.

  아울러 파키스탄이 핵무기를 보유하고 나서 인도와 소규모 재래식 분쟁이 증가한 것과 같이 전술핵무기 보유 이후 재래식 분쟁이 오히려 증대되는 안정·불안정 역설 상황이 한반도에서 벌어질 가능성도 있겠다.

  마지막으로 북한이 전략핵무기를 통해 미국에 대한 핵억제력을 확보한 후 전술핵무기를 가지고 한반도 내에서의 주도권 장악 및 적화통일 등 현상변경을 위한 강압수단으로 활용할 가능성도 있겠다.

  이 때 핵탄두를 장착한 단거리미사일 및 방사포를 실전배치한 후, 핵무기 사용을 위협하며 한미의 전략적 선택지를 제한한다거나 전시에 핵무기를 활용하여 억제·강제 등 주도권을 확보하고 전쟁승리뿐만 아니라 유리한 고지에서 전쟁 종결을 유도할 우려도 존재한다.

  북한은 핵무기 통제·사용 권한과 관련하여 중앙집권적 독단적 핵지휘통제체계를 구축할 것으로 예상된다. 다만 전술핵무기의 경우 전술·작전적 효과를 극대화하기 위해서 분권화되고 위임된 지휘통제체계를 선택할 가능성에 있다. 즉 전시에 전술핵무기를 군단장이나 포병사령관 등 전방 지휘관들에게 조기에 이양할 수도 있겠다.

  이와 같이 전술핵무기의 핵지휘통제와 관련해서 ▲불확실성 증대, ▲억제효과 제한, ▲관리 및 통제 제한 등의 측면에서 우려가 있을 수 있다.

  첫 번째로 핵사용 권한의 조기 위임은 지휘관의 인지불능, 부정확한 정보, 우발적 또는 의사불통 등의 상황변수에 쉽게 영향을 받아 불확실성이 증대될 가능성이 매우 높다. 특히 오인·사고에 의한 핵사용 가능성이 존재하며, 위기상황이 전면적인 핵전쟁으로 비화될 위험성을 수반하고 있다. 아울러 핵사용에 대한 통제를 복잡하게 만드는 요소가 될 수도 있다.

  두 번째로 핵사용을 위임받은 북한군 지휘관을 대상으로 한·미동맹이 억제작전을 구사하기에도 어려울 것으로 예상된다. 북한의 어떤 지휘관이 핵 사용 권한을 위임받은 상태인지 어느 지역에서 어떤 목적을 달성하고자 핵을 사용할 것인지 등에 대한 정보를 파악하는 것도 제한된다. 또한 정책적 판단보다 임무달성을 최우선으로 하는 군지휘관을 직접 억제하는 것도 어려울 것으로 예상된다.

  세 번째로 핵무기의 관리 및 통제 측면에서도 제한 사항이 있을 수 있다. 북한이 핵무기 안전 및 보안과 관련해서 최고사령관의 중앙집권적 통제를 제도적· 기술적으로 보장하기 위해 다양한 노력을 기울일 것으로 예상되지만 전술핵에 대한 절취 및 테러 우려가 상존할 수밖에 없다. 특히 최고사령관의 유고 등 북한 내부의 갑작스런 불안정 상황에서 핵무기 통제관리체계가 붕괴될 가능성도 있다.

  이러한 핵무기에 대한 통제 상실은 핵 비확산 측면에서도 취약성을 높일 수 있고 국제적인 문제를 야기할 가능성도 있다. 이에 더하여 핵무기를 통제하고 있는 군지휘관에 의한 의도적 핵확산 가능성도 배제할 수 없다.

  북한이 제8차 당대회에서 발표한 핵무력 증강에 대한 내용은 우리나라의 대응 측면에서 상당한 우려를 불러오고 있다. 이에 이 글에서는 전술핵무기의 개발 가능성과 핵전략 및 핵지휘통제에서의 함의 등에 대해서 분석하였다. 정리하자면 북한은 장사정포 및 단거리미사일 등에 탑재가 가능한 전술핵무기를 개발할 수 있는 기술을 이미 보유하고 있는 것으로 판단되며 이에 대한 핵실험도 진행할 가능성이 있다.

  아울러 북한은 전술핵을 적극적으로 활용하여 한·미동맹을 압박하기 위한 공세적인 핵전략을 구사할 가능성이 높다. 북한이 본격적으로 전술핵무기를 포함한 다양한 핵무기를 실전배치하게 된다면 한·미의 전략적 선택지는 시간이 지날수록 줄어들 수밖에 없을 것이다.

  이에 한·미의 대북정책 조율은 어느 때보다 중요한 시기라고 할 수 있다. 특히 새롭게 취임한 바이든 행정부에서 대북정책을 새롭게 검토하고 있다고 발표한 만큼 한·미공조가 절실한 상황이다. 이에 우리는 미국 측과 함께 북한의 전술핵무기 개발 및 배치를 저지하기 위한 비핵화 등의 외교적인 노력을 계속해서 추진해야 하며, 더불어 전술핵무기의 위협·사용을 효과적으로 억제하기 위한 적절한 수준의 확장억제 수단 및 정책을 발전시킬 필요가 있겠다.