1. 서 론
제2차 세계대전 중인 1945년 8월 6일 히로시마와 동년 8월 9일 나가사키에 핵무기가 각 1발씩 공중투하되었다. 사람이 살고 있는 도시 상공에 핵무기를 직접 투하함으로써 핵폭발시 위력이 역사의 기록으로 남게 된 것이다. 미 국방부는 히로시마와 나가사키의 원폭피해를 조사한 결과를 바탕으로 1950년 “원자폭탄의 효과” 보고서를 발간하였고, 이후 실험결과를 추가하여 1957년 “핵무기효과” 보고서를 발간한 바 있으며, 이는 1962년, 1964년, 1977년 개정된 바 있다(Glasstone and Dolan, 1977).
2017년 6차 핵실험을 마친 북한은 핵무기와 투발수단을 갖추고 있으며, 이에 군사시설 및 대피시설의 핵방호에 대한 관심이 높아지고 있다. 핵방호시설을 설계하기 위해서는 핵무기효과를 분석할 수 있어야 한다. 미국 Natural Resources Defense Council(NRDC)는 핵전쟁 시뮬레이션 모델(Nuclear War Simulation Model)을 개발하고, 핵무기효과 산정 방법을 제시한 바 있다(McKinzie et al., 2001).
본 연구의 목적은 군사시설 및 대피시설의 핵방호를 위한 피해평가 방법을 모색하기 위하여 핵무기효과를 분석하는 현존 기법을 살펴보고 핵무기효과 분석기법의 발전방안을 제시하기 위한 것이다. 이를 위하여 인터넷에 공개되어 있는 핵무기효과 분석기법을 조사하였으며, 각 분석기법의 장점, 단점, 제한사항을 고찰하였다. 선행연구에서 수행한 핵폭발 가상 시나리오를 바탕으로 각 기법으로 모델링을 수행한 결과를 기존 선행연구와 결과값을 비교하여 향후 최적의 핵무기효과 분석도구 개발에 필요한 설계인자를 검토하였다.
2. 본 문
2.1 핵무기효과 분석도구
본 연구에서는 인터넷에 공개되어 있는 총 6개의 핵무기 효과 분석도구를 찾을 수 있었으며 각 도구에 대한 설명 및 장·단점 분석은 다음과 같다.
2.1.1 핵폭탄효과 계산도구
핵폭탄효과 계산기(Nuclear Bomb Effects Computer) 분석척(Slide rule)은 1960년대 제작된 휴대용 핵무기효과 분석도구로 4인치, 5인치 플라스틱 재질의 분석척 2가지 종류가 있으며, 원형판을 눈금에 맞게 돌리면서 사람이 직접 해당값을 판독할 수 있도록 제작되었으며, Glasstone and Dolan이 집필한 “핵무기효과(The Effects of Nuclear Weapons)”의 별책부록으로 첨부된 바 있다.
이 도구는 인터넷 사이트(https://www.fourmilab.ch/bombcalc/)에 공개되어 있다(Walker, 2005). 입력값은 핵폭발 위력(yield), 거리(range), 폭발후 경과시간(time after detonation), 상대선량(relative dose rate) 등이다. 이 방법은 미 NRDC의 핵전쟁 시뮬레이션 모델에서 채택하고 있는 방법이다(McKinzie et al., 2001). 이 도구는 폭발원점으로부터 떨어진 거리에 따른 물리적인 값(압력, 방사선량 등)을 독자가 직접 하나씩 읽어야 하며, 피해평가 그림이나 예상 피해인원에 대한 분석 등은 제공하지 않고 있다.
2.1.2 누크맵
누크맵(Nukemap)은 미국의 역사학자 Alex Wellerstein이 개발하여 2012년부터 개인 인터넷 홈페이지(https://nuclearsecrecy.com/nukemap/)를 통해 운영하고 있는 웹기반 핵무기효과 시뮬레이터(Wellerstein, 2016)로서 구글과 연동이 되어 있으며, 간단한 입력을 통해 핵무기효과를 시각적으로 살펴볼 수 있다. 구글과 연동하여 폭심지의 위치를 도시명으로 입력하거나 드래그해서 설정할 수 있다(Eaves, 2017).
폭발위력은 기본 33종(최소 15 kt~최대 100 Mt) 옵션이 있으며, 직접 입력도 가능하다. 구글맵과 연동되어 지도 상에 투하위치를 설정하고 공중폭발과 지표면 폭발을 모의할 수 있으며 낙진에 대한 모의도 가능하다. 낙진분석을 위한 풍속과 풍향을 입력하여 모의할 수 있다. 또한 구글맵의 지역별 인구통계 값과 연동하여 위험구역 내에 인원피해 추정값을 제공하고 있다. 사상자 모델은 Oak Ridge National Laboratory(ORNL)에서 개발한 LandScan Viewer의 인구데이터를 활용하고 있다. 이 값은 인구조사 정보 자료가 아니라 한 지역에 있는 평균 24시간 머문 인구 데이터를 나타낸다.
2.1.3 핵폭탄 시뮬레이터
핵폭탄 시뮬레이터(Nuclear Bomb Blast Simulator)는 핵의 파괴적인 위협을 널리 알릴 목적으로 Outrider 재단에서 2018년부터 공개한 것으로, Outrider 재단홈페이지(https://outrider.org/projects/nuclear-bomb-blast-simulator)에서 세계 주요 도시를 대상으로 가상으로 핵무기를 투하할 수 있다(Outrider Foundation, 2018; Lacitis, 2018). 다만, 폭발지점은 주소지가 있는 도시로 한정되며, 폭발위력은 4종(14, 240, 300, 5,000 kt)만 모의 가능한 단점이 있다. 공중폭발과 지표면 폭발로 구분하여 모의가능하지만 공중폭발에 대한 고도 입력기능은 없다. 또한 낙진에 대한 분석기능은 제공하지 않는다. Lacitis(2018)은 이 프로그램을 이용하여 미국 시애틀을 대상으로 핵폭발 시뮬레이션을 한 바 있다.
2.1.4 핵전쟁 지도
핵전쟁 지도(Nuclear War Map)는 Christopher Minson이 개발한 온라인 기반 핵공격 피해 시뮬레이션 도구(https://www.nuclearwarmap.com/)이다. 모의가 가능한 곳은 미국의 주요 도시이며, 개별 도시 모델링과 대규모 공격(여러 도시 동시타격)으로 구분된다(Stan, 2022; Georgiou, 2022). 폭발지점은 옵션에 있는 도시로 한정되며 폭심지의 위치를 세부적으로 설정할 수 없다. 폭발위력은 12종(100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 2,000, 8,000 kt)과 공중폭발과 지표면 폭발의 옵션을 제공하고 있다. 다만, 공중폭발에 대한 고도 입력기능은 없으며, 정해진 시나리오에 따른 낙진 영향범위 분석기능을 제공한다(https://www.christopherminson.com/articles/nuclearwarmap.html).
2.1.5 핵무기 효과 시뮬레이터
핵무기 효과 시뮬레이터(Nuclear Weapons Effects Simulator)는 미국 MIT에서 개발한 인터넷 기반 핵무기효과 분석 도구이다.
MIT는 “핵무기효과” 과목을 개설하고 핵무기교육 홈페이지(https://nuclearweaponsedproj.mit.edu/nuclear-weapons-effects-simulator-and-models)를 통해 학생들이 핵무기의 위험성을 알고 핵무기효과를 이해할 수 있도록 하고 있다(Bele, 2022). 이 시뮬레이터에서는 분석가능한 핵무기효과 7종(무기효과, 폭풍효과, 열복사선, 핵방사선, 핵낙진, 화구 지속시간 및 크기, 폭발구 크기)의 분석기능을 제공하고 있다. 이 도구는 핵폭탄효과 계산도구와 마찬가지로 폭발원점으로부터 떨어진 거리에 따른 물리적인 값(압력, 방사선량 등)을 건별로 직접 하나씩 읽어야 하며, 피해평가 그림이나 예상 피해인원에 대한 분석 등은 제공하지 않고 있다.
2.1.6 핫스팟 보건물리 코드
핫스팟 보건 물리코드(HotSpot Health Physics Codes, 이하 HotSpot)는 미국 Lawrence Livemore 국립 연구소의 국립대기방출센터(National Atmospheric Release Advisory)에서 제공하고 있는 분석도구(https://narac.llnl.gov/hotspot)이다. 이 소프트웨어는 비상대응요원과 비상계획자에게 원전 사고 및 방사성 물질과 관련된 사고를 평가하기 위하여 개발되었으며, 방사성 물질의 대기방축과 관련된 방사선효과를 추정하기 위한 수단으로 활용할 수 있다(Homann and Aluzzi, 2013; Carestia et al., 2016; Zubair et al., 2022; Lobato et al., 2024). 이 프로그램은 위도와 경도값을 입력하면 원하는 위치의 폭발지점을 선정할 수 있다. 또한, 폭발위력은 0.0001 kt부터 50 Mt까지 모의가능하다. 이 소프트웨어는 대기확산모델을 탑재하고 있으며, 대기 관련 변수 및 풍향, 풍속 입력을 통해 상세한 낙진 분석이 가능하며, EMP 영향거리도 제공하고 있다.
다만, 프로그램 개발 목적이 원전의 핵폭발이기 때문에 지상폭발만 분석이 가능하다. 구글과 연동하여 피해평가 영역에 대한 그림을 제공하지만, 누크맵이나 핵폭탄 온라인 시뮬레이터처렴 인구밀도 데이터베이스와 연계한 예상 피해인원에 대한 자동분석 기능은 제공하지 않고 있다.
2.1.7 소결론
본 연구에서 최적의 핵무기효과 분석도구 개발에 필요한 설계인자로서, 폭발위력 입력가능 여부, 공중폭발 모의 가능여부, 폭발위치 입력 가능여부, 폭풍효과 분석, 방사선 분석, 사상자 분석, 낙진 분석으로 7개 평가인자를 도출하였는데, 이를 모두 충족시키는 분석기법은 누크맵인 것으로 나타났다. 상기 6개의 분석도구를 비교하면 다음 표와 같다. Table 1에서 △는 기본 옵션을 제공하되, 직접 입력기능을 제공하지 않는 경우, ○는 기본 옵션 없이 직접 입력기능만을 제공하는 경우, ◎는 기본옵션과, 직접 입력기능을 모두 제공하는 경우를 나타내었다.
Table 1
Comparison of functions of six nuclear weapons’ effects analysis tools
2.2 핵무기효과 분석도구 모델링 값 비교
핵무기효과 분석도구의 개발 목적 및 각 기능별 차이가 있기 때문에 본 연구에서는 공통적으로 적용이 가능한 기본 입력값을 토대로 폭발지점을 설정할 수 있는 4개 분석도구의 모델링 결과를 비교하였다.
2.2.1 폭발시나리오
Nuclear Bomb Blast Simulator는 폭발위력 선택 옵션이 4종(14, 240, 300, 5,000 kt) 밖에 없고, Nuclear War Map가 미국의 도시만 모의가 가능하며, 폭발위력 모의가 100 kt부터 가능한 것을 고려하여 모델링 시나리오는 미국 캘리포니아 Los Angeles에 300 kt의 핵무기가 지표면 폭발했을 경우로 하였다.
2.2.2 모델링 결과
각 프로그램을 활용한 모델링 결과 화면은 Figs. 1, 2, 3, 4와 같다. 연구결과, Fig. 2에서 알 수 있듯이 Nuclear Bomb Blast Simulator는 낙진 분석기능이 없어서 원형으로만 피해지역을 나타내는 것을 알 수 있고, Fig. 3에서 보듯이 Nuclear War Map은 풍향, 풍속의 입력없이 기본 설정값으로 낙진의 영향범위를 나타내고 있음을 알 수 있다. Fig. 1과 Fig. 4에서 알 수 있듯이 누크맵과 HotSpot 프로그램도 낙진분석 결과를 포함하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 1과 같이 누크맵의 낙진 분석은 1960년대 Miller의 스케일 모델(scaling model)을 채택하고 있으며, 기본 풍속값인 24 km/h을 적용하여 1시간이 지났을 때 영향범위를 나타내고 있다. HotSpot은 대기 확산 모델을 선택할 수 있고, 핵폭발의 경우, 평균 풍향과 평균 풍속을 직접 입력할 수 있다. 기본 평균 풍속은 6.8 m/s로 되어 있는데, 누크맵의 기본 풍속값 24 km/h를 환산하면 6.67 m/s로 두 프로그램이 비슷함을 알 수 있다. 모델링 결과를 비교하면 Table 2와 같다. 5개 프로그램으로 모의결과, 화구와 폭발구 크기는 일부 차이가 있지만, 폭풍, 열복사선, 방사선의 피해범위는 유사하게 산정되었음을 알 수 있다.
Table 2
Comparison of results of four nuclear weapons’ effects analysis tools (300 kt)
2.3 사례연구 및 시뮬레이션
2.3.1 히로시마와 나가사키의 핵무기 피해사례
1945년 원자폭탄 투하로 인해 일본이 받은 피해는 사료마다 상이하지만 본 연구에서는 사상자 인원은 일본 나가사키 평화공원에서 집계한 자료(https://nagasakipeace.jp/content/files/minimini/english/e_gaiyou.pdf)를 인용하였다. Table 3은 히로시마와 나가사키의 원자폭탄 투하 제원과 피해를 비교한 것이다. Table 3을 보면 나가사키에 투하된 원자폭탄이 히로시마에 투하된 원자폭탄보다 위력이 크지만 사망자 피해가 상대적으로 적게 나타난 것을 알 수 있는데, 그 이유는 지형과 인구 밀집도 등이 다르기 때문인 것으로 사료된다.
Table 3
Comparison of damage to Hiroshima and Nagasaki caused by the atomic bomb
2.3.2 핵무기효과 분석도구 모델링 결과
본 연구에서는 사상자 분석기능이 있는 누크맵(Nukemap)과 핵폭탄 시뮬레이터(NBBS)를 이용하여 핵무기 폭발위력 15 kt을 기준으로 히로시마와 나가사키에 핵무기를 가상 투하했을 때 피해를 모델링하였다.
Fig. 5는 모의 결과를 산출된 예상 사망인원을 실제 피해결과와 비교한 것이고, Fig. 6은 예상 부상인원을 비교한 것이다.
Fig. 5와 Fig. 6와 Table 4에서 알 수 있듯이 히로시마 모델링 결과 사망자는 실제 사망자보다 적게 나왔으며, 부상자는 비슷한 것으로 나타났다. 그 이유는 히로시마와 나가사키의 실제 사상자는 낙진으로 인한 피해 등 최종 피해인원을 종합한 것이지만, 모델링 결과는 핵폭발 후 일주일 내 발생한 사상자를 나타내기 때문인 것으로 사료된다. 또한 나가사키 모델링의 경우 사망인원의 차이가 많이 나는 이유는 21 kt 핵폭발 위력을 15 kt으로 낮춰서 모의하여 당시 실제 피해보다 적게 산출된 것으로 판단된다.
Table 4는 누크맵(Nukemap)과 핵폭탄 시뮬레이터(NBBS)의 모의결과를 예상 피해인원으로 비교한 것이다.
Table 4
Comparison of damage to Hiroshima and Nagasaki by Nukemap and Nuclear Bomb Blast Simulator (15 kt)
| Classification | Hiroshima | Nagasaki | |
| Nukemap | Fatalities | 51,070 | 56,900 |
| Injuries | 87,170 | 59,960 | |
| Nuclear Bomb Blast Simulator | Fatalities | 54,865 | 25,337 |
| Injuries | 83,830 | 52,992 | |
Table 4에서 핵폭탄 시뮬레이터(Nuclear Bomb Blast Simulator, NBBS)와 누크맵의 모의결과를 비교해보면 누크맵으로 산정한 예상 피해인원(부상자)이 NBBS보다 많은 것을 알 수 있는데, 각 프로그램별 인구 데이터베이스의 문제일 수도 있지만, 낙진 분석기능이 없는 NBBS와는 달리, 누크맵은 낙진효과까지 고려하기 때문인 것으로 사료된다.
3. 결 론
본 연구는 군사시설 및 대피시설의 핵방호를 위하여 필요한 핵무기효과 분석기법에 대한 연구로 수행되었다. 인터넷에 공개된 6종의 핵무기효과 분석기법의 장점, 단점, 제한사항을 고찰하였으며, 주요 연구결과는 다음과 같다.
첫째, 핵무기효과 분석도구 개발에 필요한 설계인자를 검토하기 위해 6종의 핵무기효과 분석도구를 살펴본 결과, 폭발위력 입력가능 여부, 공중폭발 모의가능 여부, 폭발위치 입력 가능여부, 폭풍효과 분석, 방사선 분석, 사상자 분석, 낙진 분석 기능이 모두 필요함을 알 수 있었으며, 7개 평가요소를 모두 충족하는 핵무기분석 프로그램은 누크맵임을 알 수 있었다. 다만 누크맵은 대기확산모델이 탑재되어 있지 않아서 제한된 범위 내에서 낙진 분석기능을 제공함을 알 수 있었다.
둘째, 프로그램에서 공통적으로 적용이 가능한 가상 핵폭발 시나리오를 상정하여, 미국 LA 지역에 300 kt의 핵무기를 지표면 폭발시켰을 때의 피해를 4개 프로그램으로 비교 분석한 결과, 폭풍, 열복사선, 방사선의 피해범위가 비슷한 결과값을 나타내어 모의 결과의 신뢰성이 있다는 것을 알 수 있었다.
셋째, 사상자 모델 분석을 위해 원자폭탄이 실제 투하되어 피해 인원이 공개되어 있는 일본의 히로시마와 나가사키 2개 도시를 대상으로 사상자 모델이 탑재된 누크맵(Nukemap), 핵폭탄 시뮬레이터(Nuclear Bomb Blast Simulator, NBBS)으로 핵폭발을 모의하였다. 1945년 8월 6일 히로시마에 투하된 것과 동급의 핵무기 15 kt을 히로시마와 나가사키에 가상으로 각각 투하했을 때 사상자를 실제 사상자와 비교한 결과, 낙진효과를 고려한 누크맵이 NBBS보다 합리적으로 추정하고 있음을 알 수 있었다.
넷째, 본 연구에서 검토한 결과, 폭풍, 방사선, 열복사선에 대한 사상자 및 피해 평가는 누크맵을 활용하고, 낙진에 대한 피해평가는 대기모델을 탑재하여, 낙진에 대한 세부 모의가 가능한 HotSpot 프로그램을 활용하여 분석하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
본 연구의 결과는 최적의 핵무기 영향 분석 도구를 개발하기 위한 기초 연구 및 군사시설 및 대피시설의 핵방호를 위한 피해평가 방법으로 활용될 수 있을 것이다.
