영변 5MWe 원자로?는 5MW의 전기출력을 내는 발전 겸용 시험 원자로이다. 북한이 이 원자로를 만들기로 계획한 것은 1970년대 말로 추정되며, 1980년 제6차 당대회의 결정에 따라 동년 7월 건설되기 시작하여 1987년 12월 가동을 시작하였다. 영변 5MWe 원자로?는 천연 우라늄을 핵연료의 원료로 사용하며, 이산화탄소 가스를 냉각재로 이용한다. 연쇄 핵반응을 일으키는 중성자의 에너지를 낮추는 재료(감속재)로 흑연을 사용하기 때문에 ‘흑연감속로’로 불리기도 한다. 영변 5MWe 원자로?는 대표적 흑연감속로인 영국의 마그녹스 콜더홀(Calder Hall) 원자로를 모델로 한 것으로 추측된다. 콜더홀 원자로는 열출력이 268MW인데 반해 전기출력이 60MW이기 때문에 열효율이 약 22.4%로 매우 낮다. 영변 5MWe 원자로?의 열효율도 약 17%에 불과한 것으로 알려졌다.

영변 5MWe 원자로?는 천연 우라늄을 핵연료의 원료로 사용하기 때문에 무기급 플루토늄 생산이 가능하다. 핵반응에 이용되는 원소는 우라늄?235이지만 자연 상태에 우라늄?235는 매우 적은 양만 존재한다. 우라늄 계열의 동위원소 가운데 자연 상태에 가장 많이 분포하는 원소가 우라늄?238인데, 이것이 핵반응을 일으키면 핵폭탄에 이용되는 플루토늄?239로 변하게 된다. 이로 인해 천연 우라늄을 핵연료의 원료로 사용하는 원자로는 무기급 플루토늄 생산에 있어서 다른 재료를 핵연료의 원료로 사용하는 원자로보다 유리하다. 북한은 영변 5MWe 원자로?에서 생산한 플루토늄으로 2006년 10월 9일 제1차 핵실험을 단행한 것으로 추정된다.

북한은 제1차 북핵 위기가 진행되던 1993년 말 손상되어 제거된 일부 핵연료봉을 제외하고는 5MWe 원자로가 초기장전 연료 그대로 운전되고 있다고 주장했다. 원자로 가동 이후 초기 전력실험 동안 전력밀도를 고르게 하기 위하여 연료 배치를 수정하고, 많은 연료봉을 교체했다고 밝히기도 했다. 북한은 나중에 연료봉 교체 과정에서 손상된 일부 핵연료봉을 인출하여, 그 중 일부에 대해 재처리를 행한 것으로 알려졌다.

재처리에 대한 부분은 북한도 인정하고 있지만, 재처리에서 추출한 플루토늄의 양에 대해서는 북한과 국제원자력기구(IAEA)의 의견이 달라 1994년 제1차 북핵문제가 발생하는 원인이 됐다. 5MWe 원자로가 저출력으로 운전될 경우 약 11kg 정도의 플루토늄을 생산할 수 있으며, 1994년까지 열출력 8~12MW에서 멈추지 않고 가동됐으므로 매년 약 5~6kg 정도의 플루토늄 생산이 가능하였을 것으로 추정된다.

이후 북핵문제 해결을 위한 6자회담?이 많은 어려움 속에 지속적으로 개최되어 ‘9.19 공동성명?’(2005.9.19)이 발표되었다. 그리고 2007년 2월 13일 ‘9.19공동성명 이행을 위한 1단계 조치’(2.13합의)에 합의했고, 같은 해 10월 3일에는 2단계 조치(10.3합의)에 합의했다. 북한은 합의에 따라 2008년 6월 27일 영변 5MWe 원자로?의 구성물인 냉각탑을 폭파하였다. 그러나 북한은 2013년 4월 2일 영변 원자로를 재정비, 재가동하는 조치를 취하겠다고 발표하였고, 이에 대해 국제사회는 유감을 표명하였다. 북한은 냉각수를 이용하는 방식으로 이 원자로를 재가동하며 무기급 플루토늄을 생산하고 있는 것으로 추정된다.