[1942 노벨화학상] 수상자 없음 : 스쿼시 경기장의 비밀, 인류 최초의 원자로 '시카고 파일-1'과 엔리코 페르미

 

 

 

🏟️ "이탈리아의 항해사가 신대륙에 도착했다"

 

1942년 12월 2일 오후 3시 25분. 미국 시카고 대학교의 버려진 스쿼시 경기장 관중석에는 코트와 넥타이 차림의 과학자 수십 명이 숨을 죽인 채 서 있었습니다.

그들의 시선이 향한 곳은 경기장 바닥에 쌓여 있는 시커먼 벽돌 덩어리였습니다. 높이 6m, 폭 9m에 달하는 이 거대하고 흉물스러운 흑연 덩어리는 마치 장작더미(Pile)처럼 보였습니다.

계기판의 바늘이 춤을 추기 시작했습니다. "딸깍, 딸깍, 타다다다닥..." 가이거 계수기의 소리가 경기장을 채웠고, 그래프는 수직으로 치솟았습니다.

그 순간, 현장을 지휘하던 한 남자가 조용히 미소를 지으며 말했습니다. "반응이 지속되고 있다. (The reaction is self-sustaining.)"

이것은 인류 역사상 최초로 인간이 '핵분열 연쇄 반응' 을 완벽하게 통제하고 제어하는 데 성공한 순간이었습니다. 태양이 타오르는 원리를 지구 위에서, 그것도 도심 한복판에서 재현해 낸 것입니다.

이 소식은 암호로 워싱턴에 타전되었습니다. "이탈리아의 항해사가 신대륙에 도착했음. 원주민들은 매우 우호적임."

오늘 소개할 이야기는 1942년의 노벨상을 대신할 과학사 최고의 드라마입니다. 이미 1938년에 노벨 물리학상을 받았지만, 화학적 지식을 총동원해 원자력의 불꽃을 피워 올린 현대의 프로메테우스, 엔리코 페르미(Enrico Fermi) 와 그의 역작 '시카고 파일-1(Chicago Pile-1)' 의 이야기입니다.

 

📜 맨해튼 프로젝트의 심장 : "원자탄을 만들어라"

 

1942년, 세계는 전쟁 중이었습니다. 미국은 나치 독일보다 먼저 원자폭탄을 만들어야 한다는 절박함 속에 '맨해튼 프로젝트' 를 가동하고 있었습니다.

하지만 이론만 있었지, 실제로 우라늄이 연쇄적으로 폭발할 수 있는지는 아무도 몰랐습니다. 우라늄 원자핵 하나가 쪼개지면 중성자가 튀어나오고, 그 중성자가 옆의 우라늄을 또 쪼개는 '연쇄 반응(Chain Reaction)' 이 일어나야만 폭탄이든 발전소든 만들 수 있었습니다.

이 불가능한 미션을 맡은 사람은 이탈리아에서 망명한 천재 물리학자 엔리코 페르미였습니다. 그는 이론과 실험 모두에 통달한, 당대 유일무이한 '완전체 과학자' 였습니다.

그의 계획은 대담했습니다. "우라늄과 흑연(감속재)을 번갈아 쌓아서 거대한 덩어리(Pile)를 만든다. 그리고 그 안에서 중성자가 도망가지 못하고 계속 반응하게 만든다."

장소는 시카고 대학교의 미식축구장 스태그 필드(Stagg Field) 관중석 아래에 있는, 지금은 쓰지 않는 스쿼시 경기장이었습니다. 도심 한복판에서 자칫하면 핵폭발이 일어날 수도 있는 위험천만한 실험이 비밀리에 시작되었습니다.

 

🧐 검은 벽돌의 탑 : 시카고 파일-1 (CP-1)

 

페르미와 동료들은 방호복도 없이 흑연 가루를 뒤집어쓰며 검은 벽돌을 날랐습니다. 그들은 스스로를 '검은 얼굴의 갱단'이라고 불렀습니다.

'시카고 파일-1(CP-1)' 의 구조는 정교했습니다.

1. 연료: 5.4톤의 우라늄 금속과 45톤의 산화우라늄. (여기서 나오는 중성자가 반응의 핵심입니다.)
2. 감속재: 360톤의 흑연 벽돌. (중성자의 속도를 늦춰서 우라늄과 잘 부딪히게 만듭니다.)
3. 제어봉: 카드뮴으로 만든 막대기. (중성자를 흡수해서 반응을 멈추게 하는 브레이크입니다.)

페르미의 계산은 완벽해야 했습니다. 흑연에 불순물이 조금만 섞여도 중성자를 다 잡아먹어서 반응이 꺼져버리기 때문입니다. 그는 화학자들에게 순도 99.9% 이상의 흑연을 요구했고, 우라늄의 배치를 수학적으로 완벽하게 설계했습니다.

마침내 57층의 벽돌탑이 완성되었습니다. 그 안에는 나무 막대기에 묶인 카드뮴 제어봉이 꽂혀 있었습니다. 이 막대기를 뽑으면 반응이 시작되고, 꽂으면 멈춥니다.

 

⚡️ 1942년 12월 2일 : 임계 질량에 도달하다

 

운명의 날 아침. 페르미는 제어봉을 담당한 조수 조지 웨일에게 지시했습니다. "제어봉을 15cm만 뽑으시오."

계수기가 "틱, 틱, 틱" 소리를 냈습니다. 중성자가 나오기 시작했습니다. 하지만 아직은 연쇄 반응이 아니었습니다. 페르미는 계산자를 두드리며 침착하게 지시했습니다. "15cm 더."

계수기 소리가 빨라졌습니다. 사람들은 긴장해서 침을 삼켰습니다. 만약 계산이 틀려서 반응이 폭주하면 시카고 전체가 방사능에 오염될 수도 있었습니다. 하지만 페르미는 너무나 태연했습니다. "자, 점심 먹고 합시다."

모두가 경악했지만, 페르미는 배가 고프다며 식사를 하러 갔습니다. 그의 자신감이었습니다.

오후 2시, 실험이 재개되었습니다. "제어봉을 30cm 더 뽑으시오."

오후 3시 25분. 계수기 바늘이 끝까지 올라가 더 이상 내려오지 않았습니다. 중성자의 수가 기하급수적으로 늘어나고 있었습니다. 반응이 멈추지 않고 스스로 유지되는 상태, 즉 '임계(Criticality)' 에 도달한 것입니다.

페르미는 조용히 미소 지으며 선언했습니다.

"반응이 연쇄적으로 일어나고 있다."

그는 28분 동안 원자로를 가동한 뒤, "제어봉을 다시 집어넣으시오"라고 명령했습니다. 반응은 즉시 멈췄습니다. 인류가 원자력이라는 야생마를 길들이는 데 성공한 순간이었습니다.

 

✍️ 축배 : 꼬안티 한 병의 의미

 

실험이 성공적으로 끝나자, 헝가리 출신의 물리학자 유진 위그너가 종이 가방에서 무언가를 꺼냈습니다. 바로 이탈리아산 와인인 '키안티(Chianti)' 한 병이었습니다.

이탈리아 출신인 페르미를 위한 선물이었습니다. 그들은 종이컵에 와인을 조금씩 따르고 조용히 건배했습니다. 환호성도, 박수도 없었습니다. 그들은 자신들이 무엇을 만들어냈는지, 이것이 앞으로 세상을 어떻게 바꿀지(혹은 파괴할지) 너무나 잘 알고 있었기 때문입니다.

레오 실라르드는 페르미에게 악수를 청하며 이렇게 속삭였습니다.

"오늘은 인류 역사에서 '검은 날(Black day)'로 기록될지도 모릅니다."

이 성공은 곧바로 플루토늄 생산 원자로 건설로 이어졌고, 3년 뒤 히로시마와 나가사키의 비극, 그리고 이후의 원자력 발전 시대로 연결되었습니다.

 

🏆 1942년의 빈자리 : 노벨상이 담지 못한 거대 과학

 

1942년에는 노벨상 수상자가 없었지만, 시카고의 스쿼시 경기장에서는 노벨상 10개를 합친 것보다 더 큰 파급력을 가진 실험이 성공했습니다.

페르미는 이미 1938년에 중성자 연구로 노벨 물리학상을 받았지만, 그의 진정한 업적은 1942년의 '원자로 발명' 이라고 해도 과언이 아닙니다.

이 사건은 과학이 개인의 호기심을 넘어, 국가의 운명을 좌우하고 거대한 자본과 인력이 투입되는 '거대 과학(Big Science)' 의 시대로 진입했음을 알리는 신호탄이었습니다.

 

📚 TMI : 도끼를 든 남자 (SCRAM)

 

원자력 발전소에는 'SCRAM' 이라는 용어가 있습니다. 비상시에 원자로를 긴급 정지시키는 버튼을 말합니다. 이 단어의 유래가 바로 시카고 파일-1 실험에서 나왔습니다.

당시에는 자동 안전장치가 없었습니다. 그래서 페르미는 만약의 사태에 대비해 '자살 특공대(?)' 를 조직했습니다.

1. 도끼맨: 원자로 꼭대기에 한 사람이 도끼를 들고 서 있었습니다. 제어봉을 매달고 있는 밧줄을 끊기 위해서였습니다. 밧줄이 끊어지면 중력에 의해 제어봉이 원자로 안으로 뚝 떨어져 반응을 멈추게 됩니다.
2. 양동이 부대: 또 다른 세 명은 액체 카드뮴 용액이 든 양동이를 들고 대기했습니다. 불이 나면 물을 붓듯이 원자로에 붓기 위해서였습니다.

SCRAM은 바로 "Safety Control Rod Axe Man (안전 제어봉 도끼맨)" 의 약자라는 설이 유력합니다. 최첨단 핵과학의 현장에 도끼와 양동이가 동원되었다는 사실은 아이러니하면서도 당시의 긴박함을 보여줍니다.

 

🌏 맺음말 : 불을 훔친 대가

 

1942년, 엔리코 페르미는 제우스의 불을 훔친 프로메테우스가 되었습니다. 그가 피워 올린 핵분열의 불꽃은 인류에게 무한한 에너지를 약속했지만, 동시에 멸망의 공포도 함께 안겨주었습니다.

수상자가 없었던 1942년의 노벨상 목록은, 전쟁이라는 광기 속에서도 과학은 멈추지 않고 위험한 진보를 계속하고 있었다는 사실을 침묵으로 증언하고 있습니다.

스쿼시 경기장의 검은 벽돌 탑. 그곳에서 시작된 원자력의 시대는 아직도 현재 진행형입니다.