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| 시기 | <colbgcolor=#fff,#1f2023> 1940년 4월 10일 ~ 1943년 8월 17일 | |
| 위치 | 케임브리지 대학교 옥스퍼드 대학교 버밍엄 대학교 브리스톨 대학교 리버풀 대학교 임페리얼 칼리지 런던 | |
| 책임자 | 존 콕크로프트 제임스 채드윅 윌리엄 브래그 루돌프 파이알스 오토 프리슈 | |
| 결과 | 핵무기 실증 검증 | |
| 영향 | 맨해튼 계획 및 허리케인 작전 | |
1. 개요
영국의 핵개발중 1940년부터 1942년까지 진행된 원자력 프로젝트를 총칭하는 것으로, 케임브리지 대학교의 물리학과인 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratory)를 포함한 연구소 6곳에서 제임스 채드윅, 존 콕크로프트, 윌리엄 브래그, 조지 톰슨[1], 오토 프리슈, 루돌프 파이알스를 주축으로 연구되었다.1943년 처칠과 루즈벨트의 비밀회담에 의해서, 맨해튼 프로젝트로 이관되었다.
2. 진행
2.1. 원자력의 태동
1932년 케임브리지 대학교의 물리학과인 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratory)에서 제임스 채드윅이 중성자를 발견한 것으로 영국의 원자력 연구는 시작되었다. 그뒤 존 코크로프트가 중입자에 양성자를 충돌시켜서 리튬원자를 분리하는데 성공시켰다.1938년 오토 한을 위시로한 독일의 연구진이 방사성 우라늄에 감속된 중성자를 충돌시켜 바륨을 분리해내는 과정에서 방사성 원소인 우라늄의 핵분열을 인공적으로 일으키는데 성공했다. 얼마 지나지 않아, 콜레주 드 프랑스의 연구진이 감속재를 사용한 임계점 유지에 대해 발표하여 우라늄의 연속 핵분열 가능성이 긍정적임을 시사하자, 물리학계는 그야말로 한번도 보지 못했던 어마무시한 에너지 창출에 한창 고무되었다.
영국의 물리학계도 마찬가지로 고무된 나머지, 몇몇 물리학자들 사이에서 어마무시한 에너지 방출을 무기화하는 방안에 대해 이야기가 나오기 시작했다. 대표적으로 캐번디시 연구소 소속이었던 물리학자 윌리엄 브래그와 조지 톰슨은 강경하게 정부가 우라늄 광산을 개발해야한다고 주장했다. 그러나, 연속 핵분열을 이끌어내기 위한 효과적인 임계 질량의 유지는 아직 검증되지 않았기 때문에 채드윅을 위시로한 대다수의 물리학자들은 회의적인 시각을 가졌다.
2.2. 핵개발의 타당성 조사
1939년 때마침, 벨기에의 우라늄 광산이 나치 독일의 수중으로 넘어가게 생기자 브래그와 톰슨은 초조해진 나머지 케임브리지 지역구 서민원 의원인 케네스 픽트론을 통해 국방위원회 위원장 헤이스팅스 이스메이에게 건의하게 되었다. 이스메이는 저명한 물리학자이자 화학자였던 헨리 티자르에게 의견을 물었고, 채드윅이 그랬듯이 티자르도 회의적인 의견을 표출했다.영국내 다수의 물리학자들이 핵분열에 의해 발생되는 에너지의 무기화에 대해 회의감을 가진 것과 별개로 정부 차원에서 우라늄을 확보하기 위해 노력했다. 전쟁조직부 장관 어널 챗필드는 재무부와 외무부의 협조하에 콩고에 있는 우라늄 광산이 벨기에 기업, Union Minière du Haut-Katanga 소유임을 파악했고, 보수당 당수였던 존 배이어드는 우라늄 소유권을 획득하기 위해 기업주 에드거 생기에르와 협상에 들어갔다. Union Minière는 채굴되는 우라늄에 관해 영국의 소유로 이전되는 것에 동의하지만, 우라늄의 질과 우라늄을 즉시 채굴하는 것은 보증이 되지 않았다.
이런 와중에 티자르를 위시로한 항공전쟁 과학 조사 위원회는 핵무기의 타당성에 대해 조사를 계속 진행했다. 조사는 임계질량 도달과 우라늄-235를 이용한 연쇄 핵분열의 타당성을 바탕으로 두고, 버밍엄 대학교, 임페리얼 칼리지 런던에서 실시되었다. 임페리얼 칼리지의 톰슨 연구팀은 연쇄 핵분열에 실패[2]했으나 버밍엄 대학교의 올리펀트 연구팀은 상반된 결과를 내놓았다.
올리펀트 연구팀 소속이자, 독일에서 망명온 과학자 오토 프리슈와 루돌프 파이알스는 콜레주 드 프랑스 소속인 프랜시스 페린이 보고했었던 “40t에 달하는 임계질량에 도달했고, 중성자 반사재가 임계질량 주위에 애워싸이면 12t까지 임계질량을 줄일수 있다“라는 연구 결과를 재검토했다. 감속재를 활용해서 핵분열로 발생된 고속 중성자를 연구한 결과, “핵분열로 빠져나온 중성자 수만큼 다른 핵자에 충돌해 물리계가 동일하며, 임계질량의 크기는 연쇄 핵분열 빈도에 비례한다”라고 보고했다.
프리슈와 파이알스는 닐스 보어가 밝혔던 핵분열이 매우 용이한 우라늄-235 동위원소를 생성할때 자연 우라늄은 1% 미만의 비중을 차지한다는 연구 결과를 또한 검토했다. 이 연구 결과는 핵분열에 필요한 임계질량이 파이알스가 처음에 조사했던 값보다 상당히 적어야 하는 바를 시사했다. 프리슈와 파이알스는 처음에 연구했던 임계질량 값을 수정함으로써 연쇄 핵분열에 필요한 자세한 데이터를 획득했다.
영국 정부는 올리펀트 연구진의 의견을 적극 수용해 항공전쟁 과학 조사 위원회에서 코크로프트, 톰슨을 회장으로한 MAUD를 발족하게 되었다.
2.3. MAUD의 발족
1940년 6월에 발족된 MAUD의 명칭은 닐스 보어가 보낸 전보로 명명되었다. MAUD는 케임브리지 대학교, 옥스퍼드 대학교, 리버풀 대학교, 버밍엄 대학교, 브리스톨 대학교, 총 5군데의 연구기관에서 핵개발 연구를 시작했다. 초창기 기금은 대학에서 조달했으나 9월에 7500£ 상당의 정부 기금이 들어왔고, 미국에서 수 kg의 불화 우라늄를 사들여왔다.리버풀 대학교는 제임스 채드윅이 연구팀을 이끌었다. 프리슈 외 4명의 과학자들과 브리스톨 대학교의 세실 포웰과 앨런 넌이 리버풀 대학 연구팀에 소속되었다. 리버풀 대학교 연구팀은 프리슈와 파이알스의 연쇄 핵분열 연구를 바탕으로, 열핵분열을 일으켜서 동위원소를 분리해내는 연구를 진행했다. 온도 기울기를 통해 무거운 입자 가스와 가벼운 입자 가스를 분리하여 동위원소를 분리하고자 했다. 그리고, 우라늄 235의 핵과 중성자간 충돌들을 조사해 우라늄 235의 임계지점을 밝히고자 했다. 첫 실험에서는 자연 우라늄을 사용해 결과값이 나오지 않았지만, 1941년 미국 카네기 연구소가 순수 우라늄을 뽑아내는데 성공하여, 채드윅은 실험 기구를 보내어 순수 우라늄의 임계질량을 얻었다.
케임브리지 대학교는 캐번디시 연구소에서 브래그와 코크로프트가 연구팀을 이끌었고, 6명의 연구원들이 연구에 참여했다. 케임브리지 연구팀은 주로 중수에서의 우라늄 238의 연쇄 반응에 대해 연구했다. 프랑스 침공이 일어나자, 프랑스의 물리학자들이 2만 £가 넘는 중수 샘플을 영국으로 보내면서 본격적인 연구가 시작되었다. 중수로 인해 중성자가 감속되면서 우라늄 238으로 흡수되며 우라늄 239로 반응하는 현상을 관측했다. 게다가 우라늄 238에서 화학적 방법으로 분리된 넵투늄과 플루토늄이 우라늄 235와 마찬가지로 방사성을 충분히 띄고 있어 중성자에 의한 핵분열이 가능하며, 풍부한 우라늄 238을 바탕으로한 핵분열의 가능성을 시사했다.
버밍엄 대학교는 파이알스가 연구팀을 이끌었다. 화학자들을 포함해 4명의 연구팀은 이론적인 문제점과 불화 우라늄에 관해 연구를 진행했다.
옥스퍼드 대학교는 시몬이 연구팀을 이끌었고, 5명의 연구진들이 동위원소의 분리에 관해 연구를 진행했다.
1941년 3월 MAUD는 정책 위원회와 기술 위원회로 분리되었다.
2.4. 맨해튼 프로젝트로 이관
3. 기타 이모저모
- 소련 스파이였던 클라우스 푹스는 버밍엄 대학교의 소속으로 타 연구팀의 데이터들을 분석해 핵무기의 이론적인 문제점에 관해 연구했다.
- 폴 디랙은 컨설턴트 자격으로 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소 소속 연구팀의 핵분열 연구에 참여했다. 참고로 디랙은 케임브리지 대학교 수학과 소속이었는데, 캐번디시 연구소는 실험물리학에 특화되어 있어서 이론물리학자 중 상당수는 수학과에 소속되어 있기 때문이다.
4. 참고 문헌
- https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tube_alloys
- https://www.osti.gov/opennet/manhattan-project-history/Events/1939-1942/maud.htm
- https://www.worldcat.org/title/3195209