엔리코 페르미 핵분열, 느린 중성자로 원자의 불꽃을 켠 방법

원자 안에 어마어마한 에너지가 숨어 있다는 건 알았는데, 아무도 꺼낼 수가 없었다

여러분, 자물쇠가 걸린 유리병 안에 태양만큼 뜨거운 불꽃이 들어 있다고 상상해 보세요. 열쇠만 찾으면 엄청난 에너지를 꺼낼 수 있는데, 수백 개의 열쇠를 넣어 봐도 딸깍 소리조차 나지 않는 거예요. 1930년대, 과학자들이 딱 이런 상황이었어요.

아인슈타인이 유명한 공식 E=mc²으로 "물질 안에 어마어마한 에너지가 숨어 있다"고 알려줬거든요. 쉽게 말하면, 손톱만 한 물질을 통째로 에너지로 바꿀 수 있다면 도시 하나를 밝힐 수 있다는 뜻이에요. 문제는 '어떻게'였죠.

과학자들은 원자핵, 그러니까 원자의 한가운데 있는 아주 작고 단단한 알맹이를 쪼개면 에너지가 나올 거라고 생각했어요. 그래서 빠른 입자를 총알처럼 쏴서 핵에 부딪히게 했는데, 핵이 너무 작아서 거의 다 빗나갔어요. 마치 눈을 감고 다트를 던지는 것처럼요. 여기서 이탈리아 로마 출신의 젊은 물리학자 한 명이 완전히 다른 방법을 떠올립니다.

느린 공이 핵을 더 잘 맞힌다고? 볼링을 슬로모션으로 던진 것 같은 기막힌 발상

그 젊은 물리학자가 바로 엔리코 페르미예요. 다들 입자를 최대한 빠르게 쏘려고 할 때, 페르미는 정반대를 시도했어요. 중성자라는 아주 작은 입자를 일부러 '느리게' 만든 거예요. 중성자는 전기를 띠지 않아서 원자핵의 방어막을 무시하고 다가갈 수 있는 특별한 공이거든요.

볼링으로 비유하면 이래요. 공을 온 힘을 다해 던지면 핀 옆을 스쳐 지나가기 쉽잖아요? 그런데 슬로모션처럼 천천히 굴리면 핀 근처에서 더 오래 머물면서 딱 맞힐 확률이 올라가요. 페르미는 중성자를 물이나 파라핀(양초 재료) 속에 통과시켜 속도를 확 줄였어요. 느려진 중성자는 원자핵 근처에서 더 오래 머물렀고, 핵에 훨씬 잘 흡수됐어요.

결과는 놀라웠어요. 느린 중성자가 핵에 빨려 들어가면 핵이 쪼개지고, 쪼개지면서 새로운 중성자가 튀어나왔어요. 그 중성자가 또 다른 핵을 쪼개고, 또 새로운 중성자가 나오고… 도미노처럼 연쇄반응이 일어나는 거예요! 페르미는 이 발견으로 1938년 노벨 물리학상을 받았는데, 진짜 대단한 실험은 그다음에 벌어집니다.

시카고 대학교 운동장 아래에서 인류 최초로 '핵의 불꽃'이 켜졌다

1942년 12월 2일, 미국 시카고 대학교 스쿼시 코트(실내 라켓볼 치는 운동장) 지하에서 역사가 바뀌었어요. 페르미와 연구팀은 그곳에 검은 흑연 벽돌 4만 개 이상을 쌓아 올려 거대한 타원형 구조물을 만들었어요. 이름은 '시카고 파일-1', 인류 최초의 원자로였죠.

원리는 이래요. 우라늄 연료 안에서 중성자가 핵을 쪼개면 에너지와 함께 새 중성자가 나오고, 그 중성자가 또 핵을 쪼개는 연쇄반응이 일어나요. 흑연은 중성자를 느리게 만들어 반응을 도왔고, 카드뮴이라는 금속 막대를 꽂아 넣으면 중성자를 흡수해서 반응을 멈출 수 있었어요. 게임에서 일시정지 버튼을 누르는 것과 비슷해요.

페르미가 "막대를 빼라"고 지시하자, 측정 장치 바늘이 올라가기 시작했어요. 연쇄반응이 스스로 계속되는, 인류가 처음으로 원자의 도미노를 통제하며 쓰러뜨린 순간이었어요. 관계자는 암호 전화를 걸었죠. "이탈리아 항해사가 신세계에 도착했습니다." 이 한 문장이 원자력 시대의 시작을 알렸어요. 그리고 그 불꽃은 지금, 여러분의 일상까지 이어져 왔어요.

지금 네 방의 콘센트에 흐르는 전기, 혹시 원자가 쪼개지면서 만든 거라면?

스마트폰 충전기를 콘센트에 꽂을 때 생각해 본 적 있나요? 이 전기가 어디서 왔는지 말이에요. 한국 전체 전기의 약 30%는 원자력 발전소에서 만들어져요. 원자력 발전소 안에서는 바로 페르미가 시카고 지하에서 처음 성공시킨 그 연쇄반응이 지금도 계속 일어나고 있어요.

우라늄 핵이 쪼개지면서 나오는 열로 물을 끓이고, 그 증기가 터빈을 돌려서 전기를 만드는 거예요. 급식 시간에 먹는 밥을 짓는 전기밥솥, 교실 에어컨, 유튜브를 돌리는 데이터센터까지 — 원자가 쪼개지면서 내놓은 에너지가 우리 생활 곳곳에 스며들어 있어요.

물론 원자력에는 방사능 폐기물이나 사고 위험 같은 어려운 문제도 있어요. 하지만 페르미가 보여준 건 한 가지 확실한 사실이에요. 남들이 더 세게 던질 때 오히려 천천히 굴리는 발상, 모두가 불가능하다고 할 때 운동장 지하에서 묵묵히 벽돌을 쌓는 끈기. 지금 여러분이 풀기 어려운 문제가 있다면, 반대로 생각해 보는 건 어떨까요? 페르미처럼요.