20세기 초반 발달하기 시작한 물리학은 그때까지 비밀에 싸여 있던 원자라는 것에 대해 조금씩 알아 내기 시작했습니다. 당시 물리학자들의 업적은 지금도 찬란하게 빛나고 있지만 이 글은 그들에 대한 것이 아니니 개략적으로 알아보고 넘어가도록 하지요.

1898년 마리, 피에르 퀴리 부부가 피치블렌드(우라늄 원광)에서 신물질 라듐 발견, 원자에너지에 대한 가능성 탐구

1911년 어니스트 러더퍼드가 원자의 대부분의 질량은 양자로 이루어진 핵에 있다는 것을 발견

1932년 제임스 채드윅이 원자핵의 또다른 구성물질인 중성자 발견

동년도 존 코크로프트와 어니스트 월턴이 최초의 핵분열 성공

1933년 아돌프 히틀러 휘하의 나치정권에서 유대인 차별정책 실시. 이 여파로 많은 유대계 과학자와 교수들이 영국과 미국으로 도피

1934년 이레네, 프레데릭 졸리오 퀴리 부부가 안정된 원소에 알파 입자를 충돌시켜 인공 방사능을 유도할 수 있음을 발견

동년도 엔리코 페르미가 중성자를 우라늄에 충돌시켜 유사한 현상 발견

1935년 독일에서 뉘른베르크법 발효, 유대인들의 독일 국적 제거

1938년 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 34년 엔리코 페르미가 실시한 것은 핵분열이었음을 발표

동년도 리제 마이트너와 오토 로베르트 프리쉬가 핵분열의 이론적 메커니즘 정의

동년도 레오 실라르드가 핵연쇄반응 가능성 주장, 최초로 원자폭탄의 개념 제창


자기 손으로 핵개발을 늦추신 분들.

그리고 역사적인 2차대전 발발. 레오 실라르드가 제창했던 원자폭탄은 전쟁의 판도를 뒤바꿀 새로운 병기였습니다. 연합국의 과학자들은 독일이 먼저 핵무기를 개발하지 않을까 하는 걱정이 앞섰고, 먼저 영국에서 일단의 과학자들에 의해 '튜브 합금(Tube Alloy)'라는 이름의 프로젝트가 시작되었습니다.

1939년엔 미국에서 돈을 약간 집어 준 정도였지만, 과학자들의 강력한 주장에 의해 조금씩 규모가 확장되어 1942년 미국에서 레슬리 그로브스의 책임 하에 그 유명한 '맨해튼 프로젝트'가 시작됩니다(프로젝트 이름은 원래 사무실이 있던 곳 이름을 땄습니다만). 세계 유수의 과학자, 기술자, 기타등등 지식인들이 대거 프로젝트에 동원되었습니다.




로스 앨러모스, 1945년과 1995년

개발팀들은 뉴멕시코주 산타페 근교의 외딴 지역에 은밀히 연구소를 세우고 연구에 임해야 했습니다. 당시로서는 세계 제일규모의 프로젝트였기 때문에 이 연구소는 엄중한 감시 하에 격리되어야 했지요. 지금은 세계 최대규모 연구단지 중 하나가 되어 있는 이 곳, 로스 앨러모스는 당시에는 조그만 분교가 있는 시골 깡촌에 불과했습니다.

이 곳에 5,000명 규모의 사람들이 사는 거대한 연구단지가 들어서자 주변 시골 사람들은 과연 누가 왜 저런 곳에 연구소를 만들었을까 하고 궁금해 했죠. 로스 앨러모스 구성원들은 농담삼아 '이곳은 세계에서 평균 지능지수가 가장 높은 마을'이란 이야기를 했지만요(사실 진짜입니다만).

자연 상태의 우라늄은 두 종류의 동위원소, 우라늄 235와 우라늄 238로 나뉩니다. 우라늄 235는 중성자를 흡수하면 분열, 에너지와 함께 평균 2.5개의 중성자를 방출합니다. 다른 한편 우라늄 238은 중성자를 흡수한 뒤 그냥 아무 일도 하지 않습니다.

원자폭탄을 제작하려면 적어도 순도 80% 이상의 고순도 우라늄 235가 필요했습니다(아니면 우라늄 238이 중성자를 스슥 흡수해서 연쇄반응을 뭉개 버리니까요). 맨해튼 프로젝트의 과학자들이 당면한 것은 우라늄 238 농도가 99.3%나 되는 자연 상태의 우라늄에서 어떻게 우라늄 235만을 추출하느냐는 것이었습니다.

전쟁 중 2가지의 방법이 개발되었는데, 모두 우라늄 238의 원자량이 235에 비해 아주 약간 큰 편이라는 방법을 이용해 원자량이 다른 동위원소를 분리하였습니다. 전자기분리법과 가스확산법이 그것입니다만, 쉽고 상쾌발랄한 개소리를 지향하고 있기 때문에 자세한 기법에 대해서는 설명하지 않겠습니다.


미국 테네시주 오크리지에 건설된 6만 에이커에 이르는 더X게 큰 우라늄 농축공장 X-10 내부.

위에서 설명했듯이 우라늄 238 자체는 핵분열하지 않기 때문에 원자폭탄에 써먹을 수 없습니다. 그러나 중성자를 흡수하면 매우 불안정한 우라늄 239로 변환되고, 곧 붕괴되어 넵투늄 239를 거쳐 비교적 안정한 원소인 플루토늄 239가 됩니다.

자연 상태에는 존재하지 않는 원소인 플루토늄은 우라늄 235처럼 핵분열을 하기 때문에 원자폭탄 제작에 사용할 수 있었고, 엔리코 페르미는 시카고 대학 지하에 컬럼비아 강물을 냉각수로 하는 원시적인 거대 원자로를 제작하여 우라늄 238을 플루토늄 238로 변환, 원자폭탄 재료로 만드는 데 사용했습니다(지금 생각해 보면 시카고같은 대도시 대학교 지하에 그런 불안정한 원자로를 지었다간 여간 난리가 아니겠습니다만).

잡설이지만, 소설 '다빈치 코드'의 작가로 유명한 댄 브라운의 첫 소설 '디지털 포트리스'에는 '나가사키에 떨어졌던 핵폭탄은 플루토늄으로 알려져 있지만 사실 우라늄 238이었다'라는 내용이 있습니다.

우라늄 235도 아니고 핵무기용 연쇄반응은 하지도 못하는 238을 썼다고 하는 걸 보면 이 작가 소설에 밀리터리적인 오류가 꽤 많은데 이것도 그런 걸까요(12kg짜리 에니그마를 12톤짜리로 써 놓는다든가)


시카고에 건설된 세계 최초 원자로 CP-1. 지금 기준으로 보면 핵 반대단체들이 격분할 만큼 허술한 원자로지만...

핵분열폭탄이 폭발하려면, 임계질량이라고 하는 것이 필요합니다. 이것은 핵분열물질이 안정적으로 연쇄반응을 일으킬 수 있는 최소한의 질량으로, 임계질량 이상의 핵분열물질이 중성자에 맞으면 연쇄반응을 일으키는 거지요. 기폭시키기 전에는 임계질량이 되어선 안 되기 때문에(임계질량 이상이 되면 반응률은 어쨌든 연쇄반응이 일어나기 때문에 매~우 위험합니다)그 전의 폭탄에는 핵분열물질이 분리되어 있습니다.

이것이 순간적으로 합쳐지면(어물쩍 합치면 반응률이 낮아 제대로 폭발하진 않습니다. 뭐 방사능은 방출되니 위험하긴 마찬가지)초임계질량, 즉 임계질량이 초과된 상태가 되어 중성자에 의해 연쇄반응이 일어나 폭발하게 되지요. 어떻게 합치느냐에 따라 원자폭탄의 제조법이 좀 달라지게 됩니다.


대포형 원자폭탄(리틀 보이).

최초의 방식은 대포형 원자폭탄입니다. 이것은 말 그대로 포신 안에 장전된 우라늄 235의 반구를 화약으로 쏘아 포신 끝의 다른 반구와 순간적으로 합쳐 초임계질량에 도달시켜 기폭시키는 방법입니다. 히로시마에 투하되었던 리틀보이가 이 방식을 사용하고 있었습니다.


내폭식 원자폭탄(팻 맨).

두 번째의 방식이 내폭식 원자폭탄입니다. 연구 결과 플루토늄은 대포형 원자폭탄에 사용할 수 없다는 것이 밝혀졌는데, 실용적인 생산 방식인 증식로 방식(우라늄 238을 원자로에 넣어 붕괴시켜 플루토늄 239를 생산하는 방식)으로 제작된 플루토늄은 극도로 생산량이 적은 입자가속기 생산 플루토늄보다 중성자에 대한 반응률이 너무 높았기 때문이지요.

대포형으로 제작해서 플루토늄 반구를 쏘면, 제대로 합쳐져 연쇄반응이 일어나기 전에 자연핵분열이 일어나 효과적인 핵분열 전에 폭발하고 맙니다(속어로 '푸식(Fizzle, 김빠지는 의성어)'이라고 하지요).

로스 앨러모스의 과학자들은 애써 만든 플루토늄이 무용지물이라 짜증을 내다가 새로운 방법을 생각해 내는데, 임계질량에 도달하지 않은 플루토늄 코어를 구형으로 배치한 뒤, 폭발물로 순간적으로 안쪽으로 찌그러뜨려(이걸 내폭Implosion이라고 부름)밀도를 일시에 증가시켜 초임계질량에 도달하게 하는 것이었습니다.

말은 좋은데, 단순히 쏘면 그만인 대포형 원자폭탄에 비해 내폭식 원자폭탄은 폭발물의 위치와 양, 폭발 타이밍을 정밀하게 계산하지 않으면 잘못 결합되어 '푸식'해 버리기 때문에(비싸고, 지저분하고, 위력도 없는)상당한 고민거리가 되었죠. 이 문제점은 유체역학적으로 제작된 서로 다른 폭약으로 구성된 폭약렌즈를 사용해 해결합니다. 마치 렌즈가 빛을 초점으로 모아들이는 것처럼 폭발 충격파가 구의 가운데에 집중되도록 한 것이죠.

독일이 핵개발에 아둥바둥하고 있는 사이(독일 핵개발에도 꽤 재미있는 일화가 있습니다만... 이건 그 내용하곤 상관없는 글이죠)서방연합군은 노르망디에 상륙, 독일군의 핵개발을 방해하게 됩니다. 소련과 미군에 쌈싸먹힌 독일은 1945년 5월 8일 무조건 항복을 선언했지만 주적이 소멸한 뒤에도 미국의 핵개발은 계속해서 진행됩니다.

어쨌든 태평양에 남아있는 건더기가 있었기 때문이지요. 이달 4월 프랭클린 D. 루즈벨트 대통령이 죽었기 때문에 전 부통령이었던 해리 S. 트루먼이 지위를 이양받고, 처음으로 핵개발 프로젝트에 대해 알게 되었습니다(나중 한국전쟁 당시에 핵무기 발언때문에 설레발레했습니다만).

로스 앨러모스에서는 일단 내폭식 원자폭탄을 개발하기는 했습니다. 그러나 단순해서 별 실험이 필요없는 대포형 원자폭탄에 비해 내폭식은 상당히 불안했고, 사용하기 전에(이 '사용'이란 건 다들 아시겠지만)한번쯤 실험해 보는 게 좋겠다는 의견이 나옵니다.

트루먼 대통령도 포츠담 회담에서 스탈린을 만나 폭탄을 회담의 히든카드로 쓰고 싶어 했기 때문에 실험을 속행하도록 합니다. 그리하여 1945년 7월 16일, 뉴멕시코의 시골 깡촌(또?)인 앨러머고도에서 사상 최초의 핵실험이 실시됩니다.


- 관심이 있으시다면 계속 해보지요,