핵실험 지질학적 감쇠 안전성

미국 지질조사국 보고서

비밀번호 없음 번호 01-28

대규모 공동 내 감쇠(분리)를 통한 지하 핵실험의 실현 가능성에 관한 공학적 및 지질학적 제약

윌리엄 레이스 박사
미국 지질조사국 레스턴, 버지니아 20192

미국 내무부

지질학적 문제 분석

최근까지 이 보고서는 미국 지질조사국(USGS) 웹사이트의 출판물에서 다음과 같은 주소로 다운로드 가능했습니다:

http://geology.er.usgs.gov/eespteam/pdf/USGSOFR0128.pdf

이 보고서는 더 이상 존재하지 않으며, 미국 지질조사국의 데이터베이스(http://search.usgs.gov/)에서도 찾을 수 없습니다.

여기서 보안 복제본을 확인할 수 있습니다: http://membres.lycos.fr/atar/Archives/Report01_28.pdf

이 보고서의 보존은 크리스토프 지우디치가 그 존재를 발견한 경계심 덕분입니다. 이 보고서는 '비공식 핵실험' 관련 문서의 핵심 자료입니다. 이 문서는 2003년 초, 저를 앙투안 지우디세리와의 재판에서 손해배상 소송에 제출되었으며, 그 결과 저는 명예훼손으로 유죄 판결을 받았습니다. 재판 당시 법원이 "본질적인 문제로 들어가자"고 요청했을 때 저는 이 보고서에 대해 상세히 논의했습니다. 그러나 판결문에서는 이 내용이 언급되지 않았습니다.판결문 보기 또한 판결에 대한 논평도 참고하시기 바랍니다.

이 보고서의 내용을 간략히 요약해 보겠습니다.

초기 연구

지난 40년 동안 미국 지질조사국은 세계적으로 핵실험 감시를 유지하고, 관련 조약이 준수되었는지 확인하기 위한 노력을 기울여 왔습니다.

• 핵폭발 탐지 시스템 – 주로 해외에서 실시된 실험에 따른 지표면 및 환경에 미치는 영향 – 실험 장소의 위치 파악
• 평화적 목적 핵실험이라는 주장에 대한 평가
• 핵폭발과 자연 지진, 광산 폭발로 인한 지진파의 비교 연구
• 핵실험 제한 조약의 수립에 참여 및 개입
• 핵폭발 탐지 용 도시 지진학 데이터베이스 구축 – 핵폭발과 지진 신호의 구분
• 지각 내 파동 감쇠 연구
• 다양한 깊이에서 다공성 토양의 자연 감쇠 능력 연구 (Matzko, 1995)
• 감쇠 장치 설치에 적합한 자연 공동 연구 – 주로 석유 담수지나 층상 석염층, 또는 대규모 지하 공동을 조성할 수 있는 지역 중심

감쇠(분리) 시나리오

비확산 조약(종합 핵실험 금지 조약, CNTB)의 핵심 과제 중 하나는 국가들이 기존 탐지 시스템을 회피할 수 있는 비밀리에 핵실험을 수행할 가능성 평가입니다. 가능한 시나리오 중 몇 가지는 다음과 같습니다:

• 우주 공간에서 핵폭발
• 지진 발생 시점에 폭발
• 자연 감쇠가 가능한 환경에서 폭발
• 매우 먼 해양 지역에서 폭발
• 구름이 매우 두꺼운 대기에서 폭발
• 충분히 큰 공동 내에 충분히 깊은 깊이에 폭발 장치를 설치하여 탐지 회피

이 모든 방법은 심층 연구를 거쳐 수많은 논문들이 발표되었습니다 (Herbst & Werth 1980, Glenn & Goldstein 1994, Sykes, 1995, Linger et al. 1995).

1959년 알버트 레터가 공동 내 폭발 방식의 감쇠 개념을 제안한 이후 (Latter et al. 1961), 이 현상을 이론적으로 모델링하려는 노력이 대규모로 진행되었습니다. 미국과 소련은 감쇠 조건에서 실험을 수행했으며, Springer et al. (1968), Murphy & al. (1995), Reinke (1995)의 논문에서 그 결과가 보고되었습니다.

1988년 기준, 10킬로톤 이상의 폭발은 감시가 가능하다는 결론을 내렸으며, 이 정도의 에너지로는 지진 신호를 완전히 제거할 방법이 없다고 판단했습니다.

1~2킬로톤 미만의 폭발은, 그레니트, 퇴적층, 염화물 퇴적층과 같은 환경에서 조약 위반 없이 수행 가능하며, 현재 기술로는 이러한 실험을 신뢰성 있게 탐지할 방법이 없다고 결론지었습니다.

이 두 범위(10킬로톤 이상 또는 1킬로톤 미만) 사이에는 감쇠 기술을 사용할 경우 탐지가 여전히 어려운 영역이 존재합니다.

본 보고서의 목적은 공동 내 폭발을 통한 감쇠 기술의 현황을 정리하는 것입니다 (Sykes, 2000). 이 리뷰는 공기로 채워진 공동을 대상으로 하지만, 다른 감쇠 방법도 고려되었습니다. 다공성 및 기공 구조를 가진 재료를 이용해 폭발 시 에너지를 흡수하도록 설계하는 것도 연구되었습니다. 기공률이 5~20%에 달하는 다공성 암석에서 지하 핵실험의 가능성을 입증했습니다. 칼라하리 지역과 같은 일부 지역에서는 기공률이 20%를 초과하기도 합니다.

비밀리 핵실험을 수행할 수 있는 조건은 다음과 같습니다.

• 지진 신호가 감시 장비의 탐지 한계 이하여야 함
• 실험 깊이가 충분히 깊어 폭발 후 방사성 물질이 외부로 누출되지 않도록 해야 하며, 방사성 물질 탐지 시스템이 자연 신호와 구분할 수 없도록 해야 함
• 실험 장소의 조성 과정이 위성 감시를 회피할 수 있어야 함

타원형 공동 내 감쇠

미국과 소련은 길이비 4:1에 달하는 긴 공동에서 고출력 화학 폭발물을 사용해 수많은 실험을 수행했습니다. 소련의 경우 1960년 키르기스스탄에서, 미국의 경우 1994년 뉴멕시코 막달레나에서 유사한 실험을 수행했습니다. 이 실험들은 예측 모델의 정확성을 검증하기 위한 것이었습니다.

염화나트륨과 화강암 내 감쇠 계수

1988년 OTA 보고서에 따르면, 1킬로톤 폭발에 대해 충분한 감쇠를 제공할 수 있는 구형 공동의 지름은 염화나트륨에서는 25미터, 화강암에서는 20미터이며, 폭발 깊이는 825미터였습니다. Sykes(1995)는 이 평가를 다소 높게 재조정해야 한다고 주장하지만, 수정 폭은 작으며, 이 값들은 여전히 의미 있는 수치로 간주할 수 있습니다.

지하 공동 조성 시 환경 조건

공동 내 감쇠 방식은 보강 기둥 없이도 광범위한 조성 작업이 필요합니다. 탐지 가능성을 최소화하기 위해 다음 사항을 고려해야 합니다.

• 환경의 지질학적 조사
• 해당 지반에서 작업이 가능한지에 대한 사전 데이터 확보
• 지반의 안정성에 관한 데이터
• 감쇠 효율성
• 반응 생성물의 밀폐 성능과 관련된 특성
• 작업의 비밀 유지
• 비용

염화나트륨 내 공동 건설

중간 깊이(100~1500미터)에 위치한 염화나트륨 매장지는 감쇠와 밀폐 측면에서 이상적인 조건을 제공합니다. 염화나트륨은 짧은 시간 동안은 단단한 성질을 가지지만, 장기적으로는 유연성과 불투수성을 보입니다. 미국과 소련은 염화나트륨 공동 내에서 10킬로톤 수준의 지하 핵실험을 수행했으며, 1999년 Davis & Sykes는 염화나트륨 내 폭발이 국가가 지하 핵실험을 은밀히 수행할 수 있는 가장 편리한 방법이라고 결론지었습니다.

석유 산업 및 에너지 산업은 원유, 프로판, 부탄, 에틸렌, 압축 공기 등의 저장을 위해 수천 개의 공동을 조성했습니다. Kedrovskiy(1974)에 따르면 소련은 핵폭발을 이용해 수많은 공동을 조성했습니다.

전 세계적으로 많은 염화나트륨 매장지가 있지만, 충분한 두께를 가진 지역은 제한적입니다. 이러한 염화나트륨층은 주로 탄산칼슘(CaCO₃), 석고(Ca₅O₄·2H₂O), 무수 실리트 등과 함께 존재합니다. 일반적인 염화나트륨은 NaCl이며, 염층의 두께는 수 미터에서 수백 미터까지 다양합니다. 또한 '염화나트륨 봉우리'라고 불리는 구조도 존재합니다.

(...)

굴착 기술, 공동 크기, 안정성

두께가 두꺼운 염화나트륨 매장지가 있는 지역:

중국 – 수많음
프랑스 – 수많음
인도 – 쿠마운 지역에 국한됨. 깊이 및 두께 불명
이란 – 수많음
이라크 – 수많음
이스라엘 – 제한된 지역, 사해 주변. 두께 및 깊이 불명
리비아 – 북동부 지역, 튀니지 국경. 두께 및 깊이 불명
크림 – 데이터 없음
파키스탄 – 사르고다 지역에 국한됨
러시아 – 수많음
영국 – 제한됨
미국 – 수많음

200만 입방미터의 볼륨을 가진 염화나트륨 봉우리 내 공동은 희귀하지만, 인공 공동 중 1700만 입방미터 규모의 공동이 조성된 사례도 있습니다.

다양한 폭발 에너지에 따른 필요한 공동 지름은 다음과 같습니다:

건설 비용

...

경암 내 공동 굴착

30미터 지름의 구형 공동을 보강 없이 건설한 사례가 수많습니다.

프랑스의 Duffaut(1987)가 대규모 공동의 데이터를 발표했습니다.

기록적인 굴착 사례(논문에 기재됨)에서는 70미터까지의 크기를 달성했습니다. 세계에서 가장 큰 자연 공동은 인도네시아에 위치해 있으며, 크기는 400미터입니다. 프랑스에는 230미터 지름의 공동이 있으며, 총 볼륨은 1,100만 입방미터입니다.

...다음 페이지는 다양한 재료 내 공동 굴착의 실현 가능성에 대해 설명합니다. 특수 설비인 'Djumbo'와 같은 전용 기계가 사용됩니다. 보고서는 또한 경암 내 감쇠를 위한 구형 공동의 지름과 볼륨 데이터를 제공합니다.

1킬로톤 폭발에 대해 20미터 지름

다음은 핵반응 생성물의 밀폐성에 관한 고려사항과 함께, 실험 기록(표 6)을 요약합니다. 실험의 파워, 날짜, 지반 종류, 깊이 등이 포함됩니다.

그 후, 폭발 깊이를 계산하는 근사 공식이 제시됩니다. 밀폐성에 관한 추가 고려사항도 포함됩니다.

...

프랑스의 실험 사례:

프랑스 실험에 대한 데이터를 다시 언급합니다. 발사 깊이는 1킬로톤당 미터 수치로 표시되며, 다음과 같이 계산됩니다:

미터 × (킬로톤 수치)^(1/3)

태평양에서 실시된 140회의 실험 중 121회(86%)는 방출물이 없었습니다.

8.4%의 경우(나머지 실험)는 폭발로 인한 공동 붕괴로 인해 채널이 형성되었습니다.

설명: 사전에 조성되지 않은 공간에서 폭발을 수행할 경우, 폭발로 인해 벽면이 유리화됩니다. 1킬로톤 폭발 시, 폭발 장치 주변에 수십 입방미터 내외의 방이 형성되며, 이 방은 고온 고압의 가스로 채워집니다. 일부 가스는 주변 지반의 다공성에 따라 확산될 수 있습니다. 이후 가스가 냉각되면서 암석을 끌어당기며 상향으로 붕괴를 유도합니다. 이 현상이 네바다 사막의 폭발 중심 위에 특징적인 분지(우물)를 형성합니다. 퇴적층에서는 이 붕괴가 특별한 문제를 일으키지 않습니다. 프랑스 실험의 경우, 8.4%의 경우에 이 붕괴가 발생했으며, 카르스트 암석과 해수에 방사성 트리튬, 스트론튬, 세슘의 유출이 발생할 수 있었습니다. 또 다른 4회의 실험(3%)에서는 카르스트층에 트리튬이 발견되었지만, 유출물이 표면까지 도달하지는 않았습니다.

논의:

10킬로톤 이상의 경우...

....... (관심 없음)

1킬로톤 미만의 경우:

1킬로톤 이하의 폭발을 완전히 감쇠시키기 위해서는 다음과 같은 지름의 공동이 필요합니다:

• 염화나트륨에서는 25미터
• 경암에서는 20미터

이러한 공동은 세계 여러 나라에서 수많이 존재하거나 조성된 바 있습니다. 이러한 공동을 굴착하는 데 기술적 장애는 없으며, 핵무기 개발 프로그램의 비용에 비해 매우 낮은 비용입니다.

그러나 밀폐성 문제가 제기됩니다. 가장 좋은 결과는 염화나트륨에서 얻어지며, 그 다음은 조건에 따라 다릅니다. 경암에서는 적절한 장소 선정, 암석 종류 선택, 충분한 깊이에서의 작업을 통해 우수한 밀폐 효과를 얻을 수 있습니다. 또한 핵폭발 전에 화학 폭발을 시도하여 공동의 밀폐성을 확인할 수 있습니다. 이 방법은 네바다에서 은밀한 핵실험 기술 개발 시 사용되었습니다. 지하 핵실험 장소는 지진계 감지 가능성을 최소화할 수 있도록 선택되어야 하며, 상대적으로 활발한 지진 활동 지역은 신호를 지역적 배경 잡음 속에 숨기기에 유리합니다.

1킬로톤 미만의 폭발에 대해 완전 감쇠된 경우, 지진 규모는 2.6 m_b 이하가 됩니다.

참고: 가르당에서 1,000미터 깊이의 갱도 폭발은 지진 규모 3의 신호를 발생시킵니다. 따라서 은밀한 핵폭발이 있었다면 그 지진 신호는 이와 유사할 수 있습니다. 결론적으로, 북반구 국가들에 대해 이 정도의 지진 규모는 국제 핵실험 금지 조약(CTBT) 감시 시스템에서는 완전히 무시될 수 있습니다.

10킬로톤 이상의 폭발

...관심 없음

은폐, 속임수, 부정

광산 활동이 있는 지역에서 폭발 신호를 일반 광산 활동에 기인한다고 주장할 수 있습니다. 만약 공동이 지하 저장소로 사용된 석염 광산 내에 있다면, 지상 시설물이 자연스럽게 작업을 가리게 됩니다. 공동이 액체로 채워져 있다면, 액체 펌프 작업도 눈에 띄지 않을 수 있습니다. 은밀한 지하 핵실험 후 신호가 약할 경우, 이를 지질 탐사 폭발, 공동 붕괴, 또는 지역의 자연 지진 활동으로 설명할 수 있습니다(Leith & Simpson, 1986).

마찬가지로, 경암 내 광산에서 은밀한 지하 핵실험을 수행할 수 있으며, 신호를 광산 활동 자체에 기인한다고 주장할 수 있습니다. 핵무기 확산 가능성이 있는 대부분의 국가들은 정기적인 광산 활동을 하고 있습니다(파키스탄을 제외).

1,000톤 TNT에 해당하는 광산 폭발은 드물지만, 일부 지역에서는 깊은 암석의 균열로 인한 폭발이 지진 규모 5를 초과할 수 있으며, 이는 10킬로톤 이상 감쇠된 핵폭발 신호와 혼동될 수 있습니다.

따라서 일반 광산 활동(보통 지진 규모 3~4)과 은밀한 감쇠된 핵폭발(지진 규모 3)의 신호를 구분하는 것은 매우 어렵습니다.

화강암에서 110킬로톤 폭발의 경우, 지진 규모는 23.5 사이로, 환경의 지질 구조에 따라 달라집니다. 이러한 조건에서는 북반구 감시 시스템에서 탐지 여부가 불확실합니다. 게다가, 얻어진 신호는 식별되지 않을 수도 있습니다(...)

일반 결론:

(...)

10킬로톤 미만의 경우, 적절한 지름의 구형 공동 내 지하 핵폭발의 지진 신호는 지진 규모 3에서 3.5 사이에 위치합니다. 1킬로톤 수준의 폭발 시 신호는 지진 규모 3이 됩니다.

저자의 의견:

이 보고서의 결론을 따르면, 1킬로톤 TNT에 해당하는 핵폭발 신호를 감쇠하기 위해 고도로 복잡한 기술을 고안할 필요는 없습니다(소형 분열 핵무기는 현재 전자기무기의 에너지 원천으로 활발히 개발 중입니다). 단지 폭발이 충분히 큰 구형 공동 내에서 이루어지면 충분합니다. 경암에서는 지름 20미터, 염화나트륨에서는 25미터가 필요합니다. 이러한 공동을 굴착하는 데 기술적 문제는 없으며, 핵무기 개발 프로그램의 비용에 비해 매우 낮은 비용입니다.

폭발로 발생한 고온 고압의 플라즈마 가스의 팽창은 주변 고체 암석에 충격파가 도달했을 때 발생하는 진동을 충분히 감쇠시킵니다. 결과적으로 지진 신호는 규모 3에 불과하며, 일반적인 광산 활동(갱도 폭발)과 완전히 호환됩니다. 요약하면, 현재 이용 가능한 지진학